Chemie: Grundlagen, Aufbauwissen, Anwendungen und Experimente, 8. Auflage

Peter Kurzwei l Chemie

I Paul Scheipers

Peter Kurzweil

I Paul Scheipers

Chemie Grundl agen, Aufb auwis sen, Anwendungen und Experimente 8., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit zahlreichen Abbildungen STUDIUM

11 VIEWEG+ TEUBNER

Bibliografische Information der Deutschen Nat ionalbibliothe k Die Deutsche Nationalb ibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detail lierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

Das Buch erschien zum ersten Mal 1981 unter der Herausgeberschaft von Wolfgang Weißbach.

1. AUflage 1988 2., verbesserte und erweiterte Auflage 1990 Nachdruck 1991 3., verbesserte Auflage 1993 4., verbesserte Auflage 1999 5., überarbe ite te AUflage 2000 6., überarbe itete und erweiterte AUflage 2002 7., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2005 8., überarbe itete und erweiterte Auf lage 2010 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg+Teubner I GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 20 10 Lektorat: Thomas Zipsner I Imke Zander Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Selence-Business Media. www .viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrecht lich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheber rechtsgese tzes ist ohne Zustimmung des Verlags un zulässig und stra fba r. Das gilt insbesondere für Vervielfä ltigungen, Übersetzu ngen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche rung und Verarbeitung in elektron ischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Hanoelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrach ten wären und daher von jede rmann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Künketl.op ka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbindensehe Verarbeitung: Mercedespruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8348-{)341-2

v

Vorwort

.l Ultl rl'IIg ei.f / l'tr nri lll' l l lI'i ssen

beso nders gern 01., l.eckerbissen. Dus I onm,., gilt dann - "'ie es heißt als I\QmI'CUS für des Lesers Geist. P" UL SCt tHI'l-1I.S

:D ie Neugestaltung dieses stra ffen Lehrwerks w urde unter Studierenden und Lehrenden an Fachhochschulen und Universitäten. aber auch im beru flichen Umfeld. mit großem Zuspruch aufgenommen. Als gehaltvolles Kompend ium flir Prüfungen im Nebenfach Chemie und um fassendes Repet itoriu m der Schulchemie zur Angleicheng des unterschiedlichen Eing angsn iveaus der Studierenden im ersten Semester hat sich das Konze pt der 7. Aufl age bewährt. Der einprägsame Duktus soll die effektive Prüfungsvorbereitung er leichtern und durch schlagwortartige Verlnüpfung des W issen s zu r aktiven Be-

schäftigung mit den Fakten ermutigen.

Die aktuali sierte. achte Auflage berücksichtigt zahlreiche Detailverbesserungen und Erweiterungsvorschläge unserer aufmerksamen Lese r. Neu sind die Kapitel Polymerc hemie und Nachhaltige Che mie. sowie das Globat-Harmonische-Systern im Teil 111 . Dichte Informat ionen zum Umweltschutz und über Leben sm ittel zusa tzsto ffe sind in den Kapiteln 4 und 7 bi s I I zu finden . da di ese Themat ik in en gem Zusammenhang mit den chemi schen G ru nd lagen d isk ut iert werd en muss. Dem Ver lag vieweg + Teubne r. voran Herrn ZI PSNER und Frau ZANl>ER danken wi r für di e Unte rstützung, dass d ieses Buch zweifarbig zu e ine m ersch w ing lich en Pre is erscheinen kann . Im Okt ober 200 9

PROF. DR. PETER K URLWU L Hochschule Arnberg-Weidcn p.kurzwcil 't t ha\\ -aw .dc

PAUl. SCI1U l'ERS Studiendirektor l. R. paul.schci pers"1!\ crsanct.dc

Aus dem Vorwort zur 7. Aufla e Dieses Lehrbuch be fasst s ich in der neu bearbeitete n 7. Auflage mit Tei len de r ••Sc h ulch emie'' und m it der ••Augewandt en Chernie'', w ie s ie an Fach hoc hschulen und Un iver sitäten in den ersten Semestern erfo rderlich ist. Je de s Kap itel enthäl t Grundlagen- und A t4ha /lwi.Hen . damit das Buch im Sc hul- und Hoch schulb er eich g le icherm aßen erfolg re ich ein gese tzt werde n kan n. Der auf un tersc hied liche n N ivea ustufen darges tel lte Sto ff ve rschm ilzt zu einer Einhe it und kann so viel se itige r. d urch lässiger. ve rnet ztet und kom p lexer ge nutzt werden. Im Hochschulbere ich bringen di e Studienanfä nger im Neben fach Chem ie in der Regel ei n se hr unterschiedl iches Eingan gsn iveau mit. Dieses Buch hilft auch. LOcken im Grund lage nw isse n relativ ein fac h zu sch ließe n. da der Inhalt in enge r Beziehung zur Anwe ndung steht. Das Verständni s fü r aktue lle Themen - wie Brenn stoffzell en. Batterien , Korrosionsschutz. Ab ga snach be han d lung in Kraftfah rzeu gen. Umwe ltsch utz und Arbeirssichemeit - wi rd durch entspreche nde Chemiekenn tnisse erst mög lich! Das Fachgebiet der Ch em ie beg leit et die tiefe Durc hdringung andere r Diszip linen und bild et so ein wichtiges Bindegl ied zw isc hen w erkstofftechnik. Ver fahren stechnik. Elek trotech n ik. Maschin enbau und anderen Ber eich en.

VI

Als Lehrbuch und Nachsc hlagewerk in Fachschulen fUT Tech nik. Fachobersch ulen. Hö heren Tech nischen Lehransta lten. Gymnasie n. Fachhochschulen und Univers itäten sow ie für Weiterbild ungskurse, Fe rnstudien. Praktiker im Beruf und besonder s zum Se lbststudium setzt die neue Au llagc auf die bewährte Konzept ion - z. ß . die spez ielle Form der Zwe ispaltig kelt. In der linken Spalte (Lehr. spalte) steht im Wesentlichen der eige ntliche Lehrtext. Die rechte Spa lte (ErKün=ulIg \".\ptllte) bleibt vor a llem Be ispielen. Bildern . Tabellen. Hinwe isen. Verti efun gen. Versuc hen und Anmerkungen vorbehalten. Diese bewä hrte Trennung der Spalten führt zu e iner übers ichtlichen Systematik und erleichtert die Lerntätigkeit . In der Lehrspalte zeige n •.Rezepte" anhand e iner erlernbaren Vorgeheusweise Lösungswege auf. Beispiele und Reche nbeisp iele erläutern die prakt ische ode r rechn er ische Umsetzu ng von Fakten und Formeln . Am Schluss eine s jeden Kapitels stehen AU/ Kaben (lin ke Spalte) mit untersch iedlichen Schwierigkeitsg raden. Die in der rechten Spa lte direkt zugeord neten Antworten ersparen eine mühe volle Suche. Übersichten und Exkurse stellen wic htige Zusa mmenhänge und Methoden in übersc haubarer Forrn zusa mmen. Damit könne n Leser innen und Leser einen Blick auf Anwendu ngen des Gelernten werfen und beim Studieren oder in der Betriebspraxis einen schnellen Zugriff auf Formeln und Daten erhalten. Natürlich fehlen Sxperimeme nicht - ja Chemie soll auch Spaß machen ! In dieser Auflage wird an wenigen Ste llen eine im Lehrbuchbereich bisher kaum ge nutzte Möglichkeit ge testet. Es geht dabei um die zwanglose Einbeziehung gei st- und humorvo ller Gedichte. die in bescheidener Form die von strenger Sachbezogenh eit geprägten Erkenn tnisse de r Chemie au flockern so llen. In diesem Sinne können die Leserinnen und Leser an einigen Stellen sogar Emotionen für Lernprozesse nutzen. Für den Versuch. in einem Fachbuch eine solche Neueru ng zu wagen. sprechen vor allem zwei Argumente: Nach mode men Erkenntni ssen der Himfo rschung sind für Denkprozesse im Gehirn Gefühle unerlässlich. Und: Die Bezieh ungen zwischen Kultur und Wissenschaft sind zuweilen dürft ig. ob wohl beide Bereiche zusam mengehören. Die Naturwissenschaft Chemie darf im erv..eiterten Sinne als Kulturgu t verstanden werde n. Kulturelle Vorste llungen und Werte dürfe n sich auch in de n Naturwissenschaften heimi sch fühlen! Zu Beginn eines jeden Kap itels oder wichtiger Abschn itte wird in den Ergänzungsspalten dieses Anliegen a uch du rch historische Anmerkungen zur Entsteh ung de r Begriffswe lt von der Alc hem ie bis in unser quantenc hemisches Ze italter unterstützt. Die verwendeten historischen und literarischen Mögl ich ke iten können in de r Fülle des Wissen s nur e inige Farbtupfer se in. die zeigen so llen. dass auc h im Fachbuch bereic h ge wisse Verrietzungen zwisch en Naturwissenschaft und Kultur denk- und machbar s ind. Ein kritisches Echo der l eserinnen und Leser auf diesen Versuch wäre für uns sehr wertvo ll. [... 1

Aus dem Vorwort zur 6. Autla e Dieses Lehrbuch wurde auf der Grundlage von WEIßIIACIl. Chemie. völlig neu bearbeitet und für die Schulformen des beruflichen Schulwesens (Ausbildungsrichtung Technik) konzipiert: Berufsfachschulen. Berufsaufbauschule. Fachschule für Technik. Fachoberschulen. Das Buch eig net sich außerdem für Kurse. zur Unterstützung von Fernstudien und zum Selbststudium. Ziel des Buches ist es. chemisches Grundw issen in enger Beziehung zu Erfahrungen in der Alltagsund Berufswelt und zu Erkenntnissen in der Wissenschaft anschaulich und verständl ich zu vermitteln .

[...J

Wies baden. im Februar 2002

II[ RAUSG EBI:R UND AUTOIU, N

VII

Inhaltsverzeichnis Allgeme ine und Anorga nische C hemie

I

C hemit' in Trrid

o ecu

,\ uw:n.:n AggregatltbtanoJ

Schmelzpunll Dichte inglcm'

Nalrium (Na )

farb klSC ~i l llc~ lan "rNall- send, .. ei.. ürfcl dlLohl..'tl d...,. gesänigtcn Lösung auf 10 "C sinkt die Löslich keit auf 80 il ulld 70 g "' rislallc werden abgeschieden,

1.7 Trennun von Slon; emischen Be i der Gewinnung von Rohsto ffen aus natürlichen Lage rstätten oder Abfällen müssen Beg leitstoffe und Verunreinigun gen abge trennt werden. Hoc hreine Produkte erford ern einen kostsp ieligen. tech nolog ischen Au fwand . G roßtec hnisc he AltJh.!reitllllgn·eifuhrell verlaufen in meh reren Stufen und s ind meisten s e ine Kombinat ion von physikalischen und chemischen Verfahren . D ie G r und ope ra t ione n d er Ver fa hrenstec h nik ka nn man in de r Küche erp roben: Abda m pfen von Salzlöse nge n. Desti llieren von gefärbtem Wasser. Extrahieren von Tee oder Kaffee in he ißem Wasser. Dekantieren von verunrein igtem Wasse r durc h Sa nd.

lkiv Jiele: Tcd misd lC t\ utk rcitungs\l:rfahn:n f r JoIJesfilltllWn: Leieh rbenzin. Schwerbenzin.

l.cuehlöl. Gasorp( ion

Diffusion ( iilSllt.'1lhu ch :

m

d esStu tT...-s in kg n StulTIl1\.'1Ige in Mol

,

~ lassc

.\ 1 molare Masse in Gramm pro Mol " . ml.lI_ . 62 . 7.9

2 g 12 g mol = - = 2: 1 16 g / 32 g mol-1 0.5

Chemische Elemente verbinden sich in kon st anten M assen- und ~a nua h ligen Alom\erhältnissen. 0...'1' Atommultiplikator •..2•• in HP bedeu tet die konstant e Zusammensetzung H---Q---H. "' 6.1.3

1

031 N,

ffi5

ffi5

11

11

+

@

~ ~

11

11

11

11

11

.2 Nil }

3 H!

Stic kstoff

Was serstoff

Ammoniak

Elt.'1lk.'1lt

H_ '1Il\.'1It

VabiooUßg

Die Gesamtzah l der Atome und d ie Mas se ble ibt bei chemischen Reakt ion en kon stant. Man berücksichtigt d ie Mas senerhaltu ng durch Koeffl z jenten (Zahlenfaktoren) in de r Reaktionsg leichung. Links und rechts dc-s Reakt ionsp feils müssen gleich viele Ato me jedes Elementes stehen. Ein fach abzählen! 2 N·Atome

28g.

+ +

) ·2

l i-Atome

! N + 6 11

:;·2

g

2-I7g

Gase verb inden sich außerdem in konstantem Volume ns u hä lt nis, we il ein Raumt eil (z. B. I m J ) j ed es idealen Gases dieselbe Tei tehen zahl enthält. Dies g ilt nicht für Flüssigke iten und Feststoffe. Das Gesamtvol umen und d ie Za hl der Mo lekü le können sich be i Gasreaktionc nj..x toch ände rn. "' 6.3 I Molekül I Raumteil

+ +

J Moleküle J Raumteile

\ VIUUIlt laufen chemische Reaktionen a b? Chemische Reaktionen laufen freiw illig ab. wenn d ie Produkte energieärmer sind als die Ausga ngssroffe: dann wi rd der Energieunterschied übe r alle chemischen Bindungen fre i. Eine exo/lu:rlllt' Reaktion setzt Wänne frei. "' 6.5. Bei der Ver bren n ung reag iert Sauers toff mit einem Brennstoff; es hande lt sich um e ine Oxidation. Die Reaktionsprodukte C0 1 und lI 20 sind energieärmer als de r Brennstoff und O! zusamme n; daher w ird Energie in Fonn von Wänne und Licht frei. Bei einer endothermen Reaaion kü hlt die Umgeb ung ab; man muss w ärme zuführen . dam it d ie Edukt e überhaupt miteinander reagieren . Die nwrmodynumik ("' 6.6) sagt . wie viel Energ ie eine chemische Reakt ion benötigt ode r fre isetzt. Ob und w ie schnell die Reakt ion abläuft. entsc heide'! d ie ReuktiollSkinelik ("'6.7). Ohne Zufuhr der Aktivieru ngscnergie geht nichts! Ka ta tj sa toren besc hleu nige n Reaktionen du rch Ern ied rigung der Akuvierungsenergie und werden dabei nicht verbrau cht.

-;.

2 Moleküle 2 Raumteile

1-

Iki.'I'i..J..: Oxidatione n

C

+

Kohlenstoff

0)

cu,

S;llIl'Nnlr

Kohlendioxid

Auch bei Waldbrändengilt die Massenerhaltung . C0 1 alls der Reaktion I llIl Holz ((.) und l.uil (0 , ) kann wegen der l:I"lIan/ ichunl; nicht ins Wchall entweiche n. Lincn Feuerstoff wie die Alchemisten gfuubrcn.gibt es nicht wärme und Lichtsta mmen alt.' dem Umcrschicd der .Jreicn Bildungsemh alpicn" zwischen den Edukten und den Pr odukten. • 65.213

2 CIII,( )11 Alkoh"t

•

70 , Sa lJ\Tl>hlff

-4C0 1 + 6 11,0 Kohlendio xid und Wasser

",

•

3 1-"e

•

l'lx..... ['ho.lf

Eisenwolle

50,

1 1',0,

Sau!,.Tl>I"rr

PhllJ(~en : nUssig/nUssig ..I) hctero gen: fc.'SI!gasRlnnig e) ht>lllogen: gasRlnnig/gasft'ormig

10. Was 1c."fSIeht man unlc.'T I.C'RiC' l'lInl:f n?

}.;olloiddiv ",rs(' Gt'mi.w he Il 10 ~ , m I)urchlliesser.

a) l. H. Zuekerillsung b} (irani t: I') n t in ,kr "'ohle Iklvin , II:ohlen\la s..scrstolrgemischl : Weinhrand (Alkohul in WasSf,.'!") dl Rauch: Staub\\ olkc cl l.ull (CJCmisch aus Saocl':itulT. Sti(-kstolT. II:ohlcndio\ id und Edelgasen); Ilcizgas ( M~'1han. Slk kshllTu. a.)

"

Gemische \1"11'I !lktallcn (und clIl. Nkhlmc.'1allcn) odc.'T il1lc.'Tl1lc.'la llischo: Vc.'Tbindungc.'Il

11

I Allge n~ mc ' 1111

11 . Wo\on hängt tlic

Stoffeab'!

Lü ~l kh h~it

verschiedener

12. Unterscheiden Sie Ilh~ sil....li'ofht und cht nli'ofht Eil:t n'of hllrtt n von reinen Stolfcn. 13. Welcher StolTpasst zu diesen Eigcnschaüen? al hervorragende elektrische l.citfähigkeit b) hohe l.citfähigkcu und Schmelztemperatur cj sehr hohcr Schmcbpunkt und hohe Dichte tl) l.cicturnctaü mit gute... I.citr.thigkeil cl weiches . k:icht schmcl/.ban:s Schwermetall I ~ . 1lt. -schreiho."II Sie die Begriffe _ \ n ll ~ se- und _' ) nlhC'\('" anhand von Beispielen.

15. [ rtllult.Yrl Sie.: d..:11 ßc grilTl ·m..n/ unjt am nd spie:l der Reaktion \(lfJ EisensulfKl mit Sill/saure lU Sch"erel"assentolT und Eisc.-nchlorid.

16. \ 't rh r.:nnun jt a} Welche VOraUs,S4'17ungen mDs,S4"1l fIIr einen Brand er111llt sein? b) Wie Iösc"""n Sie einern (kund? 17. Zu"lllmm~n\('t/unjt \lln Ammoniak. I~ g StickslOlTuod 3 g Was.S4'NoIT reagieren mitcinandc.... a) Wieviel Ammoniak cn l-tehl? Warum? b) Aus \\ie \ icle" Pnulmt Wasscon;tolTund StkkstolTho."Sld ll Ammoniak? c) Wit..... icle Kikl[:.ral'llm StkLstolTsind in SOkg AmnMlIliak ehc.'misch gdxlIldc-n?

h e hcnnc

Ix' rgalll s ~ ~

Polare l.öscmiucljöscn bcvorvugt polare StufTe. Und umgekehrt: unpolar löst unpolar. Physikatische Eigenschaften: r, Il. Schmelzpunkt, Siedepunkt. Dichte. Farbe (AhsorpliUllS\l.'mlögl.'n). Löslichkeit. Chem ische Eigrnscbaften: Reaktil"ls\ emlögen mit Parmern

a}Siltll.... b) Kup fer; Stahl c j Wol fram d J Af urninium et Rlei Analyse: StofTzerlcg.ung.. z.B. die I'.lcl..tml) sc von WasSI.... 04:1' Reaktion \ (lfJ Was.St.... mit glühende... Kohle zu WasSl.'T'il.olTund KohlenslolTtl, jdc:n ICO. CO: ). 5.\7Ilhese: Stoffaufbau. r: Il. V~'fbrt.'tlnun g: C -+ 0 : ..... CO: Es \(t.'Tdc."Il gld~itig Verbindungo..... im Atcme gespah""11 {AnaI) sc) und nc:ue StolTeg..:hikl-t (S)"'hc-SI,.' Nl.ff L gcnug..'fld ßn..... n.-tolT_ 2. I:m:icho..'tl do..'T EnlLfinJung...... tempcratar I_fl ammpunkt..). 3. aUSll:khcndc I.uftrofuhr. 1. En tzug \on Sau..'N, 5cHRÖI>IN(iER und andere Wissenschaftler zum qucnnenI//echcm;xchm Atommodell weiterentwic kelten. Neuere Erkenntnisse sehen das Elektron als ec htes Elementartei lchen. Proton und Neutron den kt man sich aus Quarks aufgeba ut und se lbst diese könnt en sich als te ilbar erweisen. I GASSENDI slcllle GIIU als l'r.

CO,tPTo'· Ur.. kl. Stre uung eines I'hntOllS an

einem Elektr on (I. B. in (imphit). Beim Aufprdl1 s inkt die Energi... des I'hn tuos hzw. Freq uenz d..:s Liehtc'S. I)a, I'hotull saust mil unveränderter Liclugeschw indigkcit uutc r dem StrcU\\ inke l 'I' zwisch.."f1 I:infall- und Au.,fal1richtung davon. Encrgieebgabc: hf .. hf' + E~. Wclk'lll3ngt."fllUnahme: &), = i", (l-cos '1') COMI'TON. Wel1""f113ng...: '''' = hmJ e = 2.-I26 311·1O·11 m

11

20

[ A llgcn~ inc lind Alx'rganischc Chemie

2.5 0 tische Liniens ektren der Elemente Wasse rstotTund andere verdünnte Gas e kann man in einer Gaseruludungsröhre zum Leuchten bringen. Die Gasa tome werden durch Stöße mit Elektro nen. die aus den Hochspannungse lektrode n austreten. angeregt und se nden Licht aus, das sich im Prisma oder optischen Gitt er in vie le einzel ne (diskrete) Linien re...legen lässt. Freie Atome zeigen - anders a ls die kontinu ierliche Hohlraumstrahlu ng - e in diskretes Emissions- und Absorpt ionsspe ktrum. das charakteri stisc h für den jew ei ligen Stoff ist. Die Auftrag ung der Strah lungsinten sität gegen die Frequ enz j; Wellen länge A. oder We llenza hl i' nennt man Spetarum.

• Beim Emissionsspekt rum wird die Probe im BUNSENBrenner. Lichtbogen oder Hochfrequ enzfeld angeregt und die ausgesandte Strah lung spektral zerlegt: l. B. das Bogempelclrum von Gasen und Metalldämpfen. • Be im Ah..o rp uo nsspe kt r um wird d ie Probe mit Laseroder Lampenlicht bes trahlt und die Lichtsc hwäc hung gemessen; z. B. Infrarotspektren von Mo lekülen. Funkenemisslons-. Röntgenfl uoreszenz- und Atomabsorption sspe ktro merer werden für d ie chemische Analvse von Stählen. Legierungen und Umweltproben eingesetzt Die Spe ktroskopie erm öglic ht die Sirulcluraujklärung de r Materie bis in d ie Dimensio nen der sube lementaren Te ilchen. "' S~ktrum

der ehektromagnenschen wetten

4 Rev. oIl - die b nis....ion \00 Slron tium - (rot) und Hariumsaln."rl 1p11n1 in F':\Jl.""\~*.J.öq>cm. ~

SJltkl ra hlina l) se d tr .\ Ik.a l im tlllllt

Wir glühen ein \lagnt.osia...;t;1ht.i k."rl eus, nehmen einige I-:llmt:ho.."fI Kodtwl:: auf und bahcn es in die: Brennerflanunc:. ~atriunlt.illurid (NaCl) ver-

dampft unt..,. Aus.se"rlJung d..-s t)pisd> gelben Natriamlichtes. Im BUNsl::N-I-:1ROllICH -Spo..i.uomctcr sc:hcn "ir eine gelbe Ljnic (I. = 589 nm). Nur cin Bruchteil tk.,. Niltriumatomc: wird in dt,.,. Flammeang..T\:Il-I; doch die ~ kmodc: verrarschon NatriußlS(lt.lI\."fI - \\ as filr die f7t1m mt'lljötonwlrie genutzt "in!. Ang....-n:gle Uel..tmnt."fI. spring..'11 von höht..Tt:fl rnt:rgk"fli\eall.... ur acr hlt.Tgic-J~ (E - hf » he'" = ]A- IO·IQJ I in die lrei gcwordcncn Platte im tieferen Niveau zurik.i.( ... 2.61.

__ n""

..."""

Zw ische n den kilo meterlangen Niederfr equenzwellen (Wec hselstrom und Töne). über d ie Radio- und Lichtwellen . bis zu den energiereichen - hochfrequente n Röntgenund Gammastrahlen liegen 2 1 G rößenordnunge n. r

.~"" hel!tllQU lt.rit'l blou

..ootet!

lO!WR LicllI

Wttlll.tl·

""" 1.:7

fm

pm

nm

11m

mm

m

km

IU

At ome (typisch IU· 111 = Il.] nrnj und Moleküle (10"" Jll "" JO nm) treten in lI 'ech.~t'llrirhll1~t'lI mit elektromagnetischer Strahlung und können daher spckuoskopis ch unters ucht werden. Um winzige Sruk-

turen aufzulösen, muss die ..bcxrbachtcndc.. Strah lung von kleiner wclfenlänge ), und hnhcr Energie E - h dA sein. Strul..t Uf Fn tk llrpr r " "lt U I

.\ Io m

Wd1cnlänl!c 10 km I m Im I mm

I mm I 11m 170 ... JQO nm 4110 .. 10 nm 10 nm ... 1 pm < I pm 10 fm - 10·" m 0_1 fm _IO·16m

- gelb

t;[] ::::J

,

~~

Wellenast

N·I

Rundfunk Mikrowellen

RbL::)

Infrarut Sichtl>ares Licht Uhr avjolett

Röntgenstrahlen y-Strahl\"fI

~

j

c'CJI."I JI '"

,

I ....

ICJ, :I

...

m_

... I-:ulllinuit.'l1icht.os St>nllt."rl~ktrum und die J-inicrn..mis...it>ns.o;pcl..ll\."fI dt,.,. Alkalimctallc m it ihn."rl t) piSl;ht."fI l1amnlt.'IIlWt>unIl-t.T1

~

21

2 Aulhml der Materie (A lllmlchrcl

Das \ Vll.sst' rsl ulTslll'l..trum Das Emiss kntsspektrum des Wasserstoffatom s ("' 2.7) und vieler Metalle - besteht aus d iskreten Linien im s ichtbaren und ultravioletten Frequenzbereich. In bestimmten Wellenlängenbereichen häufen sich d ie Linien und werden zu Serien zusammenge fasst. Die Elektronen in der Atomh ülle besetzen ganz bestimmte Energiez ustän de so nst würde man ei n kontinuierliches Spektrum beobachten. J. J. ß Al M ER fand 1885 e inen empirisch en Zusa mmenhang für die Wellen zahlen Ö'. den w ir heute mit Hilfe der Rvna sen-Konstanre R... ausdrüc ken :

.·(.!._.!.]I -- .

Iv='!'=R ,..

').

10.1

~ -----Ih Ut t . ·

L.:! A

Sene (UVN ISj

"..

R~ :::; 109 737 cm" und n " 3.·l. 5•... (Scha le).

Für" e 00 befindet sich das Elektron in unendlicher Entfem ung vom Atomkern: das Atom wird ionisiert. Zur Abstreifung des Elektrons muss d ie l on isierun 2sen e~ie a ufgewendet werden (H - 11 ' + e; 13.6 eV ). An diese Seriengrenze be i ~ =R.J4 schließt sic h ein kontinuier liches Spe ktrum an. we il die befreiten Elektronen be liebig kinetisch e Energie aufnehmen kön nen (im A bsorpt ionsund Emissionsspek trum ). Im Absorptionsspektrum zeigt Wasserstoff praktisch nur d ie LYMAN-Serie .

2.6

o K I W'fV'N

l Y\w, · So:ne ( UVj

4. Fncrgicniceaesch..m a des Wa""".,:r-;lolTaloms (nidJl maßstahiiehl mnt.iolcnscoen I flcl.tnlO\oll(cVI "" L602 · I O· I~ J

Das BOHR'sehe Atommodell

Modell erklärte d ie experimen tellen Linienspe ktren nicht. Nach der klassischen Elektrodynamik wären Atom e instabil und von variabler G röße. Pl ANCKs Qu ante ntheorie animierte NIEts R OHR zu dre i Postulaten - d ie er weder theoretisc h noch experimentell beweisen konnte, und die der klassischen Physik fremd sind. • Elektronen umlaufen den Atomkern auf ganz bestimmten . disk reten Kreisbahnen. • Die Elektronenbahnen werden d urch QIIUI/Je/linK des Balmdrehimpliises des Elektrons best immt. Die Bahnradien verh alten sich wie I : 2 2 : 3 2 : 41 : 5 1 • •• • Die Bewegung auf den Bahnen erfolgt strahlungs los nach den Gesetzen de r klassischen Mechan ik. Überg änge von einer ß ahn zur nächsten erfo lgen sprunghaft, R UTlllORfORJ>s

Bonus Korrespondenzprinzip fordert. dass für große

II ,•

M AX PLANe ..:

. C;n ·n, ... n

NI El.S BO HR

d~' r "' lll "i ~('h ('n

El...kcrutl ,n llmik

1E =E, -E, =h f l

Natriumatome geben d ie im Bunsenbrenner aufgenornmene Energ ie als ge lbes Licht wieder ab - das aus einer gelben Spe ktrallinie besteht.

Reche nbcisnicl: Die Energie der roten Linie im Wasserstoffspektrum bei J. = 65 6.~ nm entspr icht dem Übergang M - L mit der Energ ie :

t1E = hf = hcli. = 6.626·10·:U Js - 3' lrl' nvs - 656.4'10·'1 m = 3.0 .10. 1'1 J = 1.9 eV ( I eV = 1.602 ' 10. 1'1 J )

.l.Ann.-gung. dt..... KohlenSIQffUf'NlI.f : 6 Heltronl" , und 6 N...' UlrOI1

r"

Z

m Z2

= 2.IS7 69 \3· 10 -. -

, "

=- 13.605 692 eV ·

Strahhmgsfrequenzj l. Wellenzah l

vn ' Wellenlänge I. und Rvoaeno- Konstanrc Ru

_ .\f:" f,,,- - h_

.\E n

I

\'n = ~ = I

Fürdas " 'II'~ rol ofTlI lom 11 wird die Rel,l\l\ bcwcg ung von E1eLIrl,ln und I' roillfi um den geme insamen Schwerpunkt du rch

die reduzien e \ Ia, sc (sta ll 111,) berücksichtigt.

=

7

l

1.09 7 373 15? 85 .10 m- . R~berg"KonSlanre

R.

Z2U2 -,,12)

(' )' ~

I A llgcn~ inc lind A lx'rganis~h~ Cbcnuc

2.7

Das wellenmechanische Atommodell Orhitalmodell

Die Fein st ruktur d er Ate ms pekt re n konnte das BOHR· sehe Atom mod ell nicht erklä ren. Bei de r Spektralanalyse von Wasserstoff und den Alka limetallen wurden viele weite re Linien gefunde n. von den Spcktros kopikern s. p. d und f genannt. SOM~' E RF I:LD und PAUI.I erweite rten das BOHR-Modell um mittl erw eile überholte Ellipsenbahnen und we itere Quantenzahlen. um die Bohrsehen Schalen in Unterene rgieniveaus aufzu spalten . Zumindest da s wassersroffatom wäre demnach eine Scheibe. was dem isotropen ' Aulbau der Materie w iderspricht. und die Theorie macht sc hon be im Lithium fal sche Vorau ssagen.

Quumellobj ekte - Photonen. Elementarteilchen. Moleküle - verhalten sich j e nach Experiment als T ei lchen od e r Welle. DE BROGI.lE schrieb j ed weder bewegten Materie eine _Mat eriewellenl änge- Ä. = hip (p = Impuls) zu . Elekt ronen im Atom betracht ete er als stehende Materiewellen . Tatsäc hl ich zeigen sich be i der Beugung von Elektronen. Neutron en oder Protonen an Kristallen äh nliche Interferenzmuster w ie be i der Beugung von Röntgenstrahlen ein Widerspru ch zum reinen Teilchenbild der Materie . HEISENBI::RGs Unschä rfen-Ia t io n erfasst. das s es grundsatzlieh unmög lich ist. Ort und Impul s (Masse mal Ge sc hw ind igke it) gleichzeit ig exakt zu bestimmen. Je genauer der Ort eines Teilchens enn ittelt w ird. desto unschärfer ze igt sich de r Impuls und umgekeh rt. Der Ort ei nes Teilchens läss t sich mit Hilfe einer Liebtwelle erta sten. Je kurzwelliger (en erg iereic her) d ie elek tromagnetische Weile w ird. desto stärker stört sie die Gesc hw indigkeit des beobach teten Tei lche ns. Se in Impuls bleibt unkla r. Bei makro skopi schen Körpe rn ist die Unschärfe vernachlässigbar. Fo lg lich können exakte Um laufbah nen für Elekt rone n n icht er mittelt werden . Anste lle der Kreisbahn tr itt das OrhiJut als derj en ige Raum ausschnitt auf. in dem sich das Elektron überwiegend aufhält bzw. seine ladung mit größter Wahrsche inlichke it anzutreffen ist. Ein Orhital (Elcktroncnw olke) ist de r Raum. • in dem sich e in Elektron mit 90% iger Wahrscheinlichke it au fhält (Teilchenvorstellu ng). • der 90% der Lad ung des Elektrons umfasst (Welle) . Das Orbital des Wassers toffatoms ist ei ne Kugelschale von 104-10. 10 rn » 14 pm = 0. 14 nm Durchmesser (früher : I A Angström) . Überw iegend befindet sich das Elektro n dari n. jedoch mit 10% Wahrscheinlichkeit auc h außerhalb. Aufenthaltswahrsche inlichkeit und l adungsd ichte sind im Ab stand 5.3 pm vom Kern am größten: am Atom kern und in weiter Entfern ung vom Kern we rden sie nu ll. I iMJIrop _ in alle RlIUmrichtungC'fl gleiche Eigenschaften • Illl . orllu - Krd s; cngl. orlllt - 1'Ianclenbahn.

r nl e l1eil ...n" tie r HOII K ' ~ch cn Sc ha lcn Untere nergieniveaus Ekkuo- Iloi IR(Orbitalh rocn) nelv.ahl Scha lc s .J1arp ( ~scharf" ) 2 1...7 P principal ( ~hauplslll;hlich~ 6 ah 2 d d ilTuse (Jm ulli!'"l'lihr? (in LI und kg). e ] Was wiegt e in Al umini umatnm bei gen euerer Rechnung ? Waru m stimmt ..i l:f \\'1.'f1 nic ht C\akt mit der im PSE tabellierten Atommasse (26.98) Obcrcin ?

n Wie groß ist die "' cm tlindung.:'4'm~ie?

Wie gn16 ist s ie je l'\oclcon? g} WiL...iek Isotope hat Aluminium?

al

m(e l "" 0.00055 LI 2 IIC = 931.5 xrev

n

AI

bl 13: siehe Drdnen gszahl im

l>critllkn.~) SICnl

cl keine dI1 4 n +l3 p _ 27u :::27 · 1.67· llr17k @. e] 1... ·1.0087+ 13 ·1.0073 + 13 ·0.oo055 u - 27.22 u Ma....sendefekt . MI - (27.22 - 26.98 ) u "" 0.2-.1 u.

o E =M! r11 =0.2"'u ·I.66 ·IO·17 k~ ·( 3 · lo"mls )" =

3.59 ' 10. J 00...'1" E- 0.24 u · 9 3 1.5 MeV = 22... ~leV EA = 224 Me V ' 27 = 8.3 MeV fNucl. :on . gl ein l>t>tuf' (Reind~"ßlcrI t) 1000 01 : 0. 1 nm _ lOB AI.1!1lt:

3. Wie groB \ \ln: im

V~-rglt: imsm3 &tab dt.'I" Atomdurch1l'K.'SS
31

3 Periodensystem (PSE) _ __ _ _der_Elemente ____ _ _ 11

3.1 Der Elementbe riff Der Eleme ntbegriff löste sich im 18. Jah rhun dert von philoso phischen ldee n und de finierte die moderne Chemie als die Lehn: ' "mI den Elen/eil/eil lind ihren I 'erbindungen.

LAVOISI ER beschrieb 33 chemische Elemente: al _einfache Stoffe- w ie Sa uerstoff. Wasse rsto ff Stickstoff. b) •.einfache nichtmetallisc he oxydable und acidifiable Substanzen- wie Schwefel. Phosphor. Kohlenstoff. e) •.einfache meta llische oxydable" und in Salze überfüh rbare Sub stanzen w ie Kupfer. Eisen. Si lber. Jeder Sto tT ist als Elemen t anzusehen. so lange er mit den bek annten Ver fahren nic ht weiter zerlegt werden kann .

Chemische Elem ente (Grundstoffe) lassen sich au f chem isc hem Wege nicht in andere Stoffe zerlege n. Sie bestehen aus Atom en gleicher Ordn ungsza hl. Mitte des 19. Ja hrhunderts w uchs das Bedürfnis. d ie rund 60 beka nnten Elemen te nach ihren chemischen Eigensc haften zu ordnen . OOBERH NFR bemerkte. dass innerhalb ei ner •.Triad e- von Elementen - w ie Chlor. Brom und Iod - d ie Atommasse des mitt ler en Elementes etwa dem Mittel aus den Massen der äußeren entspricht. Das Perlod ensys tem der Elemente ( PSE) - zeitg leich von MENDEl.r,JEv.' und MEYER im Jahre 1869 verö ffentlicht ordnete die Elemente nach dem ••Ato mgew icht" in Gruppen mit ähnlichen chemisc hen Eigenschaften. MENDELEJEW sagte mit seinem Sys tem damal s noc h unbek annte Elemente vorau s und schlitzte deren Eigen schafte n mit erstau nlicher Genauigkeit aus de n Nac hbarelementen ab. Nac h der Entdeckung der Isotope wu rde d ie Protonenzahl zum Ordnungskrit erium des PSE. Mit ste igender O rdnungszah l wäch st nämlich d ie Neutronenza hl nic ht g leichmäßig. so dass Argon und Kaliu m. Cobalt und Nickel. Tellu r und Iod nach dem strengen T rend der Atomma sse n in vertausch te G rup pen fallen würden. Als Bezu gsbasis de r Atommassen d ient n icht meh r das Wasserstoffatom . sonde rn d ie intern ationale Atommassen einheit u; definiert a ls ein Zwö lftel der Ma sse des Isotops Kohle nstofT- 12. Das Ordmll1g~pritr=ip des PSE beru ht auf den ähnlichen Eigens chaften der Elemen te. Anstelle der Massenzah len (relative Atommassen) bestimmt heute die Zahl der Protoncn im Kern (Kern ladungszah l) di e Ste llung der Eleme nte im PS E. ...3,..1

\ . ( ·hr. EMl1-lXJt;.U:S WJS.... 4 35): UrstolTe Feuer . Wa~tIl'lflS.. 1994-'}(' Ge.•eflschttji )Ur Schwerioneoforschun8 1( iSI). I)armstadt Elemente 108 bis 112 200 4 Dubna: Ekmellle 113 lind 115.

32

I Allgemeine uml Allllrltalli",hc C hemie

3.2 Elementnamen und -s mbole

" Anl cil der t:lemt nte Mn der E nJk ru~tt (g/tJ

Br:RZEl.J US ( 18 14) begründete die einheitliche Zeichensprache aus zwei latein ischen Buchstaben. von denen der erst e groß und der zweite klein geschriebe n wird .

Das chemische .~rmhol beze ichnet zugleich ein Element und ein Atom dieses Element es. Elemente. die sc hon im Altertum bekannt waren, tragen lateinische Kürzel. Statt älterer deutscher Schre ibweisen wird seit IIJKj d ie Angtercnung an die internationale Schreibweise empfoh len: Cer statt Zer. Ceesium statt Zäsium. Calcium statt Kalzium. Act inium statt Aktin ium. Verp flichtend : Bismut statt Wismut. Iod statt Jod . Die Vo rsilbe Eka oder ein Zahlwort bezeichnet die künstlich erzeugten Trcmsfermiumeiememe, die noch kein en internationa l festgelegten IUPAC·Namen tragen: • Eke-Ouecksilber für Eleme nt 112. Ummhium (Uub) • Eka-Bismut für Element 115. UIl UII[lg!1!.ium (Uup). " 11

N S Fe Pb

o

Au A~

('

('U

IIg

Sb Sn Ti

Lliltini~bt

t:ltm tnln am tn

" T ran~rtrmium t1tmtDlt

Was.'ironI1nt! Cadmium

( 'd

Ceesium

Ü

lJi I~

Bh B I.

Caldum l ·ahl ....lllUm·

C.

CCf. ~"'U'" Chlor. chlorlnt! Chrom. chrom ,um

C,

Cobal l CurIUm· l>armslallllum · l>ut>mum· Dvs o.;.ium I-m'lemlUm· Eisen , /,. 00 I-LacL"ll>(r· I La-ltlal hum· I La-Illc i· I-La-li.,mul· Erbium [ur ium I'Cfl1l1u m· Fluor. 1/l>r,tIe l rancmm'" G adolinium G allium ( Icr manium ( iold " arnium 11""s ium· I lch um Ilolllliu'll Indium Iod . iodülll' Iridium Kalium. " .

'"'a

IIf

ln

1

I,

K

72

67

"

53 77

C

19 6

C,

36 29

K,

I" I,

u

"

140. 116(1)

1625 000 1 252 55.8-1 5C2l 285

'" "' zsv "' I" "" I" '" "

crc

( ill

2~1

'81 "" lOS '6' 06

st

,

I"' 7J

N

10 93 28 41 102 76 46 15 78 94 8-1

Plat in.

J7

"

Ilmum· NicLei Niob . moblum "',""""um· Osm ium Palladium "'~

11l.4 118 ) 132.90545121 4(1078141

CI

Co Cm

No:

F'I1os

98

Ü

Neon

79.9(441)

er

se

Element M· ,nc'Sium Man an. //kill LI/WScat>o.'r!!ium· Selen. .eh ( L IJ. MnC!:1. \ 1n(IVI amphotl,.'I" (L B. MnO:). • \ 1n(VIII sllurehikk'Od (/_ 11. KMn() . als Silll d..'I" P..'tlllal1{!.all-o;3un: ).

. Uikh' lc: (h idlll i"""lurc:... Wc:rt~l.c:it'" ' 6. 1.2 . q 1

gegenüber

Gru~

I

1 13

I' I'

16 17

SaUl.'1'StolT

"",

I

IV, V, VI,

1\. (SiO:) \ n ' l(),) \'I {SO,I

I

(Na:O )

11 (MgO) 111 (AI:O,)

lila

Vlla

Wa.,,-,,-T'JolT (!'''alll

11 U" tdl:l

111 (Al II ,) 1\ " (Sill .) - I III PI I,,)

- 11 (I1: ; ~

\ 11 (Cl i)))

-I

II Cl

• ,~lUer.ftf}1f i>1 immer zweiwe rtig (- 11).

nur in den Peroxidc-n einwertig (- I) , Ftut,T Schrncl"f'llllki muss Z\\ ischt.' : Nichtmetalle. Säurebildner (N. I' ) ..... Halbmetalle. amphoter {As, Sh) ..... Metall. basisch (Ili ) I) CltaUugell/!: Nichnnct all. SlIurchildner (0. S) ..... Hallune tallc , amphoter (Sc. Tc. 1'0 ): clcktnmc gutiv, reaktionsfreudig g) /ll/fogm e (I', C L Br. l. At): Nichunctallc. sehr rcaktionsfreudig: hohe IO N: bilden Säuren (I , H. Sul/$lIurc) h) Edelgase ( I rc. Ne. Ar. Kr. Xe. Rn): reaktionsträge (inert)

tsotope: Atome eines Hemenres (gleiche l' mlnnen/ ah1) mit unte rschiedlichen Ncutroncnzahlen; alle Isotope eines Elcrncntcs haben die gleichen chemischen Eigcnsch aflcn! Reifte/eil/eitle treten in 1.1llum

I Ruhemasse Ladung

u

d

,c

,

b

310 310 1500 ~5

178000

'000

Ir)

I,

-'t,

'I, 'I,

_It, _It,

4

I A llbe lllcim,: lind mlllrganische C hemie

Die sec hs beka nnten Q ua r ks untersche iden sich in ihrer Farblad ung. die abe r weder mit ein er Farbe noc h mit ei ner elektrischen Ladung verg leic hbar ist. Jedes Had ron g leicht einer Blase. in der d ie freibeweg lichen Q uarks ge fangen s ind. Die Qu arks in de n Protonen und Neutronen werden durch starke Wechselwirkungen zusam mengeha lten . die wesentlich größe r sind als ele-ktromagnetische Kräfte. jedoch nur übe r subato mare Ab ständ e w irken. Ungeladene und masse lose Glllone ,,' vermitteln d ie ..Quarkkräfte-. Die notwendige Energ ie. um d ie Quark s eines Prot ons oder Neutron s auseinanderzureißen. wurd e experimente ll bislang nicht erre icht. • Die Qlldlllellchromody" am ik (QCD) erklärt die starke Wech selwirku ng (Kernkrä fte) durch die ..Farbladung" der Quarks. d ie sich in de n Hadronen add itiv zu ..weiß" mischt. Quarks in benachbarten Nucleonen tauschen ..Farbe" aus. • D ie Quamenetek srodvnamik (QE D) erk lärt die e lektromagne tische Wec hselw irkung durch Photonen.

4.2

'Y Einleilunl: tier EIl.' lllcnhlr tl.'ilchen

Angeregte Atome cmiuicrcn /'h olo/l..n. angeregte lI ad rn ncn emittieren Pionen. II.t"'tmen : Teilchen mit ganzza hligcm Spin. I. H. Photonen und e-Mcv mcn, Liebt als HtN.'" ncngas. lJlI/ 3hlige Bosonen können in einem energiearmen dcn !>urchstrahlungs· und ROck. streuverfsbren (Füllh öbe-. Dich-

Ie:- • Dickc-, Sch"ei llnahtprtl-

F.nc~ it:te:chn ik

fungI; Traccm1,, : Jsotopcnmark icrung

Reinelemente ( ~2 _ 3 .2 ) wie Aluminium s ind monon uklid: sie bestehen aus Atomke rnen gleicher Ordnungsza hl und g leicher Massenzahl. Ihre im Per iodensystem tabellien e relative Atommasse ist den noch nicht ganzzahlig. Denn beim Zusammentreten der Z Protonen und ,\' Neu tronen zum Atom kern wird die Kernbindu ngsenergie frei. d ie aus eine r M asse-Energie-Um wandlun g stammt. Masse ndf:"ft'k t : die Differenz zw ische n der berech neten Nucleonenmasse und der gemesse nen Kernm asse.

twl '=' Zm p + N m. n",... twl '=' Z (mp+m,J + N m. - m_

!im > 0 stabile Kerne .lm < 0 instabile Kerne

m ~la....se: c Elektron . p "roton. n Neutroe. .l \ 1as..o;o,."fU..ahl .\"Ne"UlroO'.'TlJ"ah l. l Ordnungszahl

Kernbt ndungsenerg te: wird bei der Zusamm enl agerung von Protonen und Neutronen zum Atomkern frei und ist zur Zer legung des Kernes wieder aufzuwenden . Ea öm

Eo= öm ' C: EH = Öm . 93 1.-19-1 MeV

in J in Mev

in kg In u

Als Puc kung wmleil bezeichnet man den auf die Massen zahl bezogenen Massend efekt P = &nIA. ßt'i.lpid.- Wie gn>6 sind der M a.~~'1lde fek t und die Kernbindungsenergie von '~ A g mit der tabellierten Atomma....sc _~, = IOX.9O?

al Berechnung in atomaren Einheiten m = -I7-(mp +m, )+( 109--47)-m. -1 7-( 1.007276 + 0.OOO5-1X6t+llO'J-I7H JMIXM 5 = 109.9(1 U Iln / = 109.90 u - IOlt 9() u = 1.0 u ER" 6111 - '13 1.-19 MeV · 93 1.-19 MeV EI/A = 93 1.-19 MeV/[ W '" X.5 MeVlNuclo.'o n b ) Be rechnung in Sl-Einhcitcn 11/ = -1 7 '(I/I p+/11,_)+( J()'1--47)-/II• ., -1 7-( 1.67.1 - ]( )"11 kg + 9. [09-rr r" kg ] + 62· 1.675· lO'27kg .. J .X25· tu" kg Am = 1.825-10.1' kg - [08.90 · 1.6('()-]{r 17 kg = 1.7' 10.17 kg f R" toll/ -e> '" 1.7' 10-21 kg - (2'1<J792-l5X m/s)' = 1.S- [0-1" J

Isetepent rennuug. Die meisten Elemente kommen in der Natur als Gemisch mehrerer Isoto pe vor. Isotope haben die g leichen chemischen. aber unterschiedliche physikalische Eigenschaften (wegen der unters ch iedlichen Masse). Daher kan n man U-235 für Kernbrennstäbe von den anderen natürlichen Uran isotopen abtrennen. Wegen der Rüstungsanstrcngungen der Atomm ächte ist käufli ches Material e iniger Elemente an bestimmten Isotopen künstl ich abgereichert: n, Kr. Li. Ne. U. H. Xe. Bei anderen Eleme nten schwankt die Isotopenverteilung stark oder es g ibt geolog isch außergewöhnliche Proben.

zur Aulld:inmg biochemischer Mechanismen • C..:olog isd te u. binlug ischc All,,'fM>h klieren der MasS(.-n/ a hl dureh vie r ergibt: 23 1 : ~. 5 7 R~'Sl 3 ~ ( ~tr+3"Reihe.

(uP) ~'tkutct eine

'ui"i"",

ull u u ~~~Iß u( I

m Np ·~ "n i 1'.......

u Pllu u u u

'uß'Ilu"Ilu'

p (Iln ) n (, . .·1" l,nuß""" 11

x

Ycrzwcigung: u lf' ...... P Y, Yl

~ ...

&i.'l'ld: Wk"\ id e Zt.Tf.l lIe liegc-n zwischen l~Th und ~ Pb ?

Zah l d..T u-ürßlle: lahl der f'-/erflllk :

n.. "' (.4 :- .-I ,W~

np. - lZl - l .-

2JJ.I

= (23 2 - 208)1~

=6

= 190 - 82 - 2·61: ~

Z

,1u

A ls natürliche I stl((~ kommen auB..:rll8.[b d..T l..Tfallsn:ihcen HIr. I C. .....1\:. "' 1'1>. W Ill. l"' ~d.

4.6 Radioaktives Zerfalls esetz Radionuklide zerfallen spontan und unabhängig voneinander nach ei nem Ze itgesetz I. Ordnung. Der Ze rfallsze itpunkt für e in einzelnes Atom lässt sich nicht vorhersagen. wohl aber die Wah rscheinlichkeit e"lI. das s e in instabiler Kern das Alter t erreicht . Pro Ze ite inhe it zerfallen stets gleic he Bruchteile ). der vorh andenen Kern e. Die Aktivität A besc hreibt . wie viele Kern e jV pro Sekunde zerfallen. Durch Integrat ion d iese r Gesch wind igkeitsgle ichung mit der Rand bedin gu ng. dass am Anfa ng f = 0 die Au sgangsmen ge 1\'0 ist. folgt das rad ioaktive Zerfallsge setz.

Aktivität,

Gesc hwind lgkeh sg lelchung:

Radloaknvcs Z er fa lls· gt'setJ:; Teilc henzahl zur Zeit I :

A = dN = - A N

dt

I"" =

N O' , - I.t

( S· I)

= N O' 2- l / t

• •

• ,. Ii.

,• •

••

.

f: \ :: 21

•

u ••

· 0' "

••

' ,' , "

- b,.,.,.,."""'! ' ,r," " .

• • • • ' J'

.. Expon entielles A['k lingcn dcr Nuklidmenge Ak li\i läl mu z uuchm..-ndcr Ze it (hier als Vielfaches der lI a ltl\\ c-ns/ e il T) in linearer und logarithmisc her Derstellu ng. Nach der 113[bwc rtszcit s ind 50'l{' des Nuklid s verfallen. nach zwei Halbwertszeiten 75'%.. nach d rei 87.5%. nach Itlnf 97'% II.S.\\'. [,/W.

Beuchte: HIt)% - J und [% "0.01.

Zel! ullskoJ/Sfullle, Kehrwert der mittleren Lebensdauer:

fk i.ll'id . Wie lan ge dau ert es. his 50 kg ['(>·2 10 (T = [311.-1 d) 1 11 t)()~,.. in [' t>-2(J(l / erla [lcn s ind?

Hal bwertszeit. in der 50% der Kerne zerfallen sind:

"::" =e-1,I : 0.1 .v,

~

I

X Xo

I : - - [n -

mit : -

I.. : ~: 0.69 3 t 138.-1 d J

I n O.l = ~ (>O d

Bruchtei l Restsubstanz zur Ze it I : Ze rfa llener A nte il zur Zeit t:

- X : e - l 'I Xo

-xo- x- -_ ' 00(1/,(I - X- -_ e1.1 .v, Xo

Nach ~60 Tagen s ind lJO" o von 50 kg = ~5 kg zerfallen. Es sind 10" .. = 5 kg Polonium übrig.

Restma sse zur Ze it I:

m = N '~

... SI-t :inht it t1 t r Radiollklkiliil

x"

A V{lG AI)R~ Konsl.anIC

x" = 6.022 I n · ld'~ mor '

Molare Masse

.\1 ll!l'moll

(kg)

I.

OJ)()Sd · '

I Bq (IWCQUf.REI.) = I l.crfalVSekuooe = 1 S- I Vera ltct! I Ci (CURIE) = 3.7· 10 "' Bq

4 Ker nchemie und Kernenergie

51

T Radionuklide ;o..uklid

Il a lh" crtsll"il

Zl"rrall

Mn-52

5,6d

lallj;kbij;

aJahn:, dTagc,

EC E1c~1r"""",,inl;mj;

M n-54

312.2 d

M~'"

66h

kur:!, •

Ac-227 Ag-110m

Ag-III

AI·2/'1 As-?!'> 1\5-77 Al-lW

"u-195 "u_198

ec-rw

lIa-131 ß a- l 3J 1k -7

m-nc Br-82

C- 14 C a-4 1

Ca-45 Ca-47

ca-tos Cd - 115m Ce- 139 Ce- 14 1 Ce- IH Cf·}6

Co -58 Co -60 0 -51 es- 1.1 4 Cs- l 37 Cu-M Dy - 159 Er_169 Es-2 53 Es-2 54 Eu- 154 I:u- 155

F-IIJ !'c-55 Ee--5'1 I'1n-2 57

n-rn

(; 3-6 7

Ca·6IJ

( id - 153 ( ;.....71 11-" 11I: 175 1 11~ 181 11g- I'I7 11g-20 3 11 0- 166 1- 125 1- 131 1- 132 ln- 114 m Ir- l 92 "-41! K-42 Kr-85 La-I 40 b l -256 Lu- In

h Slundcn. m Minuten 2 1,77 a 249,9 d ?,4S d 7,16' IO'a 26,4 h

38.8 h

8.3h

183d 2.1)'1 d 3.14 d 11,5 d 10.5 a 53.29 d 5.01 d 35.34 h

5730a I.OHO' a 163 d 4.54 d 4 53 d 4-1. 8 d 137.6 d 32.5 d 2S4.8 d 3'10' a 70.78 d 5.27 a 27,7 d 2.06a 30.173 12.7 h 144,4 d 9,4 d 20,4 d 275 ,7 d 8.8 a 4,\I6a 109,7 m 2.7 a 45,1 d 100.5 d 21.8 m 78,3h 6 8.3 m 241.6 d 11.2 d 12,323 70 d 42,4 d 64 ,1 h 46.59 d 26.8 h 60.14 d 8.02 d 2.3 h 49 .5 d 74 d 1.28'10 " e 12.36 h 10,763 40 .2 7 h 25.9 s 6.71 d

SFS nlar", ß·lq

hUri '

ß. Y(K
•1>. 1

V4&

W-1 85

1

X~""133

Y-S8 V-9(I

Yt>- 169 /n-65 Zn-l 13 Zr-Q5

Chi d~ n bei ~i n Dl.I ij:,cr y-Ga udii rpcr bn lnlblung"IIJ

Sd," o:Ik ndosis (015 S,I 2 1ag.: l.~mpIx~tclVahl sinl t Nonn.'lIisierung nach 1 wocte Sub....tak Dosis S, ) I. Woche _';;trahlo:nl at.'-. HlulbildslOrung.. rascbe NonnaIisM.'TUng 3, Wod1e Un\\ohl'>l:in. AfIf":titman~l. lIaarausfaJl. " un&.:r R....:hen 4, Woche Krätt...verfall. sinh '1ldcSIJl'l1ltM."fIpn>dul tion M iniere 111aJc Do.>s is (4 S, ) I , Tag OhcllciL l:rbn:chen 2. Tag I.>mph,....) lcnsdm und aIlf l{l(l(Wmm' J Woche lJn",lhl'>l:in. APf'Clitnw lgo:l . Durch fall. 1faaraus fall.l laulflecken: Rachen· u. Dl\nndill'l1Cntl lloo ung. innere Blutun gen 4. Woch..: Krlltlc\ erfaJl. Slerilit3l hci Mänrcm, 50 % Todesfälle i5 Sv ) l.ctalc DII~is 17 Sv) 2 Slunden Oho.:l l.eiL Erbrechen 2, Tag 1.} rl1 pht v >lenseh" unll auf Null 2_ Woche l-:1ll10ndl.lllg..-n von Spcise"cgen und Magen-Darm-T rakt. inne re BIUlungl·n. hohes Fiebe r. Krähe verfall. Tod

u

·Ut 2 Dosuuctrbche G r üßen Die Encrgledo sls D mit der Einheit Gray ( 1 Gy = t Jlk.g) beschreibt d ie VOll einer Masse absorbierte Energ ie (Dosis) - ein Maß für d ie physikalische Strahlenwirkung. Die Äq u h 'a ll.'n tdosis H - die mit dem Qualitätsfaktor q bewertet e Energiedosis - ist e in Maß für die biolog ische Strah lenwirkung. [ n t"rg iedos i s lt+.t u n ~ iJ (in Gy/s) und Äq ui\a lentdosis. leistun ~ li (in S v/s) sind auf eine Zei tspanne bezogen. Schnelle Ne utro nen. Protonen und c -Strahlen wirke n bio logi sch starker als ß- und j -Strahlen. Der Q ualitätsfaktor q bewertet verschiedene Strahlen arren. Energ ien und Bestrahlungsbedin gungen. so dass gi lt: IG leiche Äquiva lentdosis bedeutet gle iches Strah lenrisiko.

,. Stfll h ll' n hdll'l un~ in U~ U bl'hllind I S, · I J!l.g . [frtJllcr ll OO rcm .\ q uh lllt nld ,.. is mSs'l. I ) ~N ato rl k he" Strehlc nbclast uog u. 2.4

alJ ufk"

rUN

.'itrahl"" ""'a.• ,,mK

• Kosmi sche Slrahlung : Mccrc . hlIhc Z ugspil.lc • Te rresmsc bc Slrah lung Boden ( 10.: ..... 0. U-2JII. Th -232 ) Luft IR n -:!20. Rn 2:!:!) b ) fn",,"

035 1. 1 0.47 0 .02

0.26

Suahlenl>t'/

2. 14010'"

Co-6O Na-24

3.36' 10' "

.4 ,\ k!h lt:tl der Probe. r Ab stand. , Besirahlungsdeucr, x Rclaxatio llsl3nge . I' Dosislcisnm gskonstame (_Gam maslr.lhlenl ons tante- ). fl Sch\ \ llchungsl.ocffi,iL'll t

4.72'10-"

4 Kerneherme und Kernenergie

4.8.3 Dosis- und Stra hlen messgeräte {;a,ioni....tiu n'det ekt er-

100 i,at jo nsde te k to re 0 Durch ein Glimmerfenster in einen Hoc hspannungskondensator fallende Tei lehen io nisieren da s Füllgas (Argon. Lu H). nie hc l~itf,.'1l Elcktro nc n fliegen zum AIH),j endrah l (Wo lfram) und löse n du rch Sto ßiun i· sation des tüngeses ein e Io"-faehe Sekundanonenla wine aus - uie de n Slilt igu ng.sstrum ru r "'ath{),je (äuße rer Metall J) ,lind er 1 steue rt. Wllh· rend dc.... Tot=eil (E ntla,Jung und Spannungsaulba u) w erden keine Teilchcn rcgistricrt . Pcrsonenoostmcrc.... Zä htrate: I Cf'S - I S· I

I_

1

1

111IJI -

1

I.

Il1"1l- Jf 1

I

1-

• .\ u,Iö'C'/ ihln.h r (Gf.IGf.R-M Ül l Ell.-Zähk...): Nach .... cisddektor ohne _ UOrcTsChci dung llS' S...·ktRISkt'nic C; [)..()ES Glimmentladungs_ cmissitlllsspekIr>: lskt'I' ie

n:s

ICI' \ IIP

.\ .\ S

"0

irnfuklh gckt'l' pell\'S Plasma miknl\\ cIlcninJuz icrt...-s l' lasma Alomal:>sorp tiIMls.spektfosknp it:

•••

~

~

•"

~ ::

Verbindungsnachweis .1eV). Beispiele : -

( 18 · )QF

"I 0 . 'I 11 kurz: ' ~ N(a. p )' 70

"u AI + '~ l i e -

~ I ~ p' + on

kurz: 17A I(oJl i lOp

'~1 N + 1~ H e

~ p

,~

'~ 8 e +

~ S·

- ,~

o .

1+ le

,

iue - "c + on ' ~

A Gcrn äldcu mersuchung mit J ,:r Nc utroeenak ti\ jerungsanaly so.: C11.\11 Ik.Tlinl. llurch knn~tl i­ ehe K""fTlum" aOO lung l'l1l"tehc:n radioal.l i\c lsot opc . ,I.:1\.'I1 1-Slrah lung genH....SO'T1 "im.

"

kurz: Be(o.n) ·C

6

• Neutrollen werden vom Atomke rn nicht abgest oßen . so

dass thermische (langsame) Neutrone n (::::: I eV ) zur Umwand lung genü gen. Be ispie l ..Radiofluor-': 19 F + In _ ( 20F" ) _ ro Ne . oe' kurz: 19F(n e)~~e 9

0

'J

10

.1

"

.A. I' rin/ ip der Ncutnmcustrcmmg ( IIMI Ik rlin )

• Deuteronen (schwere w asscrsto ffkem e): Das Target nimmt e in Nucleon auf und lässt das Neutron weiterfliege n. Beispiel : : B e + ~ H -.. ' ~ B +~ n

kurz:.

9B

lO

e(d.n) B

Kem foteeüekt . Ein Gammaquant wird absorbiert. ein Neutron (seltener Proton) emittiert. Nicht mit dem Fotoeffekt in der Elektro nenhü lle verwechseln ( " 4.9). ~ H rt - : 1I + ~ n : Be + y - 2 ~ He + ~ n

kurz:. D(y.n)' H kurz: 9Be(y.n)2 ~ He

Elnrangrea ktlcn. Das Gescho ß (z. B. e in Neutron) verb leibt im Kern. v-Strahlung wird frei. Kurz: (n. y). Bei der Teilchcnslreuu n2 findet kei ne Kernumwandlu ng statt. sondern der Zielkern wird angeregt; z. B. A(n .n)A· .

,~~:~~~J~;"

... 1.) L1otron ( 11 \ \1 H...Thnl

__""::!

[ AIll:tclllcim: lind mlllrganischc Chemie

60

I

T Rad loeh enn sche Ana lvsc und Ion ensi rah la nalv t ik zcrslörun isfrc l

KUrtcl Method e \ .\ .\

i.Jlll:h"el~ Prinzip lind Anwe ndung

Neutronen-

MuhiclcmCIlI-U llras pun:nanal) til.: ( I' . 11. in Ila]olcilcm J A, Sall,gungs.aktm \.i'I.l. wenn ~so ,'id mit de n charakteri stischen v- Rcsonanzlin icn der H e men Nuklid X' Mrllllil \\ie IC. Nach mchrsr ünd iger Bes trabhm g der Probe mi t Neunachgdli1dl.1 \\ird troncn . ein er Wart ezeh und C\ t1. chcmuscbcr j'wllCn\'ur· h ret lI auflgh " t im natl\:n: ilung w ird die Sättigungsaktivität mi t Ge -Halbleiterrart. Istltopcngemisch dctck toren und Vielkanalanalysatoren gcmessen. Kon - m Masse In &..1' ProbS + n

(lJe rncnl 108) ,n..'fTIl,.'TI1 1(9)

t1:k:ment 11 0 )

ie

Be i de r Kernzertrümm eru ng (Spalla tion) ze rre ißen energ iereiche Projekt ile (> 100 MeV) da s Target in Protone n. Neutrone n und einen leic hten Restkern. 2J· U + u - 1l7 W + 20 p + 35 n Bei der KernSJlallun2 zerbricht e in schwerer Atomkern (.-I > 130) nach dem Teilchen besch uss in mittelsch were Trü mme rkerne . EiniEe Kerne lassen sich mit schnellen Neutronen spalten ( -'lpa. 2J7 Np. 232Th ). andere nur mit gebrcrnsrcn « thermischen Neutro nen (mU. 2-''lPu). Bei der spontanen Kernspa ltung ze rplatzen ex trem schwere Kerne ohne vorherige Absorpt ion von Teilchen. Bei der angeregten Kernspaltung fangt der Kern ei n Neutro n ein. de r gebildete Compoundkern zerfallt. Uru n· 235 w ird von schnellen und langsamen Neutronen gespa lten (6,5 MeV). Die asymmetrische Spaltung liefen Spaltprodukte mit den bevorzugten Massenza hlen 90 ... 100 und 133 .. . 143, sow ie durchsch nittlich 2,5 Ne utronen. Die freigesetzten Neutronen spalten weitere Keme in einer Kettenreaktion, d ie bei de r Ato mbombe schlagart ig und im Atomreaktor gest euert abläuft. Ein Te il der Uranmasse wande lt sich in Energie um. Die Spaltprod ukte sind instabil und zerfallen unter Aussendun g rad ioaktiver Stra hlen bis zur Bildu ng stabiler Nuklide. Ura n· 238 abso rbiert mittel sch nelle Neu tronen (Spaltenerg ie 7.0 MeV ) und ist daher als Spa ltsto ff ungeeignet.

~ U +~ n ~ (1.J~ U .)---.!:4 2~~ Np.~ 2~ pu. In Urane rzlagerst än en läuft ke ine Kettenreaktion ab. D ie kr itisch e Masse w ird nicht erreic ht. wei l Natururan aus 99.2745% lJ'U. 0.72% m U und 0.00 55% 2J.IU beste ht.

'" .h~ OI01c lri-.fhc l' n

uChni U Ci. ~ · Ci " n Im")

iI !o

1

[ Allbemeim,: lind mlllrganisehe C hemie

Ura nanreicher un und Brennstoffkrei slauf

I

Natürliches Uran besteht hauptsächlich aus m U und

23SU. Die Erzaufbereitung findet nahe der Uranminen statt. Für . htwasserreaktorcn I. " • henmg d es " '''uLetc Isl eme Anreic Anteils von 0.72 % auf etwa 3 % erforderlich. Für die Isotopentrennung in der Gaszentrifuge (" 4.3) muss gasförmig es Uranhexafluorkl UF6' vorliegen. Das giftige UF6wird in Druckbehältern transportiert und in festes Uran dioxid UOl übergeführt. Daraus werden Brennstäbe geringer Radioaktivität hergestellt. Ein Rohr (AI-Zr-leg ierung) von I crn Durchmesser und 3.90 m Höhe erhält eine Füllung aus gepressten und gesinterten Urandioxidtabletten. Im Reaktorkern befinden sich beispielsweise 19 Brennelemente (aus 236 Brennstäben) mit einer Grundfläche von 23 cm )( 23 cm und einer Höhe von 5 m.

AfJxebrwlllle Brennst äbe werden nach etwa sieben Jahren Gebrauch aus dem Reaktor entfernt und zum Abklingen in einem Wasserbecken zwischengelagert . Ab I % U-235 bzw, Pu-239 erlahmt die Geschwindigkeit der Kernspaltung und eine Wiederaufbereitung ist erforderlich.

" Ulml7emrifu[!e 7Uf Trennung unl.·~h icdlich schwerer StofTedorch gC\\altigc Flichlrafte.

Uran-Plutonium-Tt'..nnu ng bet d..T Wkdo.:raufbcreinmg \on " "'IT1hrcnnslo tT...'1l. I . 7.erkleifwm tJ..s HI\.'1lnsto fTs 2. Lösen in h", . 0 u) ist. et A/""Ag) = " 7 nie + -1 7 m, + (109 - -1 7) mn = -17 · ,0.000 5-1 Kb + 1.007276) + 62 · 1.00 8665 . 109.90 Differenz .....iscbcn berechneter und gemessener Al.'lflma....sc : .1m = 109.90 u - 1011.90 u = 1.0 U ER = &r7 ; = 1.66,1O·n kg . (299792-15& 111/s) 1 = 1.5· IO· IDJ tw.•. ER= 1.0 u · 931.5 Me V " 931.5 \le V. g) [WA = 93J.5 MeVJl09 " 8.5 ~ I..: V

2. Ik'f>."Chn..'tl Sie d ie im I\:riodt:ns~stem IiIbdlicne nlll l iu~ .\ lllffima \ W \on Argon . Iso illp 1I11ulip.eil h l'Ouklidma.o;:sc A • 0.3 3 7\~ ~ 35.967 5463 Ar· 36 Ar- )8 0.063\~';' 37.962 733 Ar.40 99.600\~. 39.962 3&3 12

Im PSE tabellierte Atomm assen lkr EIcIT1 1 -- Inhr- ln h1 ' - - I In2 12

Mit I == 5.9' 10" Jahrc n übcrtrtm das Erd uran das heule v Y:Io.'Schllt7te Aher der I'rde t4.6 · IO a). Dus Ve rhllitnis "u : )" U m uss bei Erdcnts t.... hung ctwu I : 3 betrugen habe n.

(,. Wie\'icl llr liumga'i e11lslehl beim radioakth cn ZIo.'flall v on a llen Uranarome n l-crHlIlt prn Jahr der Urud uei l in der nalllrlich lo.'f1 Zerfa llsreihe nach al:ht «·Ze rtallcn aus ). = In 2JI = J.55· IO·w a· l • VOll I m,,1= 23Kg Ur.m i'er l"al1en IU einem h:ilo gr-Jm m lJrJn-2 3X: folg lich 1.5 5·10 - mol im Jah r und liefe rn IUr jeden uZerfa1122,-1 Liter lI e liumgas. I nml Unm er/-cugt somit K·22." ';. Liter Helium . IU I g Uran er/eugt g'22A-}J23& - 1.1 7· IO. 1 lIc1a. I kg Ur.l.Il l.'w:ugt 0.1 17 ",I Iie/a. 7. Welehe l:kmrnl.u1rilr hr n sind unteilbar?

IA:ptoncn ( L B. Uektruoen) uotl Quark s

M. Wie " irlen slart.r Krrnl. ri rtr ?

lIall~'TI die Nueleunen im Atoml..Io.'1lllUsammcn; \\ irlen au f sehr kurLe Entflo.'1llunglo.'TI und stärker a ls elektri sche Krafle.

a

[ All be lnCIIlC

68

9. Wie sind Alphu-. Be la- und Gammastrahlen aufgebaut?

111. Was versteht mim unter der

Iblh'\l~rhzti t?

Ull d

anorgamschCh C cnnc

(I-Strah len si nd Ik liumkc mc.ll-Slmhlcn Elektrone n. r -

Strahlen Photonen (c1cktl'o l1lagnctisl;hc Wdkll ). Die Zeit. in der die I!lUlle einer An/ilhl \'I1Il radjou kuvcn Atomk erne n zer fallen ist.

11. Was bed euten die Ik gri lTc a) I:: nC'rJ:il.'d nsi...

a) ET/f!rxieJosis : \ 011 einer Masse a ufgenommene Strah-

b) .\ q uiu lennl.., is und

b)

cl .\ q u iu lc'n ld O"oislr is tu ns:?

Energiedosis

lungsenergje

Aquil'alenttlo sis: mit dem Q Uillil:ils f3ktor be w ertet e

c) Aq uil'(/lentJoIis /t'isluIIX: auf eine besiimnuc Zeit bezo-

gcnc )\ quhal..'tlldo.lsis 12. W ie Mc:llt m.ull.(ln""lidlC Iot ad io nul. lid ", her?

~;nd. kön nen durch Teilchenbeschuss in Real..toren oder Tci lch~T1t>cschleun igem kllnstlio.:h radioal..th gemacht werden. so.) dass sie radioaktiv e S trah l ~T1 aussen den .

13. I\tl"ll'p..1tunl=: al Warum wird Fncrgie freig~"S(.'lIt'.' bl Weshalh kllmml ~'S zur t\ ellenreal..llon'.'

al Ein gering...'T ~las~nanlci l m \\ inJ bei Kcm spahungcn in EIK.'T'J:!.ie E ~ m t? umgewandelt.

AIOIll l.cmc: ,nn Sto ffen. die ni..ht r.wiu.lkth

bl Bei der Spaltung so.:tmen.'T,\ tornkeme mit einem Ncut-

ron \\ ~·rdl..n 2 bis 3 N ~'U1I'\1oI1~T1 frei. die weitere K~'l'TlC spal-

ten können . Die kritische M.......sc ßIILSS IIb...Tso.:hri ll~'J1 sein.

I" . J.: trnrtllL.tulTn a) Welche Aufptbe hat das Was.'cn (Jc~' k - llder \\ ur/ elseilig ). llinJcfeh1cr. Oocrh/\hungen. VerslIlIe. unl ol1knmfllene Durchschll cillung II S\\ . Sehllieri g sind AusSilgen über die Tiefenlage unJ Ausdchnuilg der I'ehkr. be ~...ndeß parallel lu r I>urchsl.....hlung.srichlung.

Literatur zur Radiochemie und instrumentellen Ana h Hk [I) [2) [3)

H. HROCl'.ER. d" ..,~ ll erd. 1811 J. J. BERZEl IUS ( 1779- 18-18): Ek mcntc zeigc'11 gegen über WiK'iCl'Sk. tf positi> c 00..... n..'g athe ..elektrische Polari tllt- ( Werti~ci t ). 1x.J.1 1.rEß lG und Pl:XiGENllORFF Ilihrcn ticfge-

setzte Indices ein. 1.. n. 11;0 fOr wesscr. 1H5H A . S. O .lUPF.R ( ISJI -IlN2 ): Bindungsstriehe und Viind igl..cil dc-s Kohlenstoffs 1861 A . I\ lrrU ROW ( 1828 - 1866): _S·/rulaur . 187-1 Tetraedermodell d..-s KohlcnSlt>fTs,--_ .. 189 J 1\ . W ERNER(IKf>6"!" 1',l19 . Nobelpreis 19I J ): Koordinananstehr e t1Ir um 1850 ge funde ne verbindun gcn " i.; '\IF, ·J KF und ('0('1 1'6 NIl.. IM93 J. W. Sl Rl!IT und W. RAMSAY: Edelgase . I9IJO DRUDE und 11. 1.0RI':NTZ (185J - 19211.. Nobelpreis 19( 2 ): Efd /rlJlII'nKilSlI/od"'!. 191 ~ KOSSFI.: Th eorie de r !m/11'1I

"

5 Cbcmiscbc Ilintlung und Struktur

5.1.3

.

Beim Zusammentritt der Ionen zum Ioneng itter wird d ie Gitt ere nergie (Gif/erenl"alpie ) frei. S ie ist in der Natur d ie Triebkraft für d ie Bildung von Sal zen! Bevor festes Natriumm etall und Chlorgas ei nen Koch sa lzkristall forme n. gehen drei energiezehrende (enJollwrme) Schritte voraus. I . Festes Natrium verdampft oh ne Umweg über d ie flüssige Phase in den Ga szu stand. Dazu w ird d ie SublimaliOIlW'nlhtllp it' ben ötigt : + I09 kJ /mol.

2. Chlormoleküle spa lten in zwe i C hlorato me auf. unter Au fwand de r Dissoziaüonsembatpie: + 127 kJ/mol (CI) .

3. Atomarer Natriumdampf bildet Natriumionen. wenn die kmisieru ngsenthaipie zugefü hrt wird: +49-1 kJI mol. -t. Das gasförmige Chloratom fängt das freigesetzte Elektron ein und w ird zum Ch loridion. Dabei w ird die EJelarOtJf.'llaffinilii1 frei: - 365 kJ/mo!. 5. Natrium - und C hlorionen treten zum Kochsa lzkrista ll zusammen: die Gittere nthalp ie wird frei : - 768 kJ /mo l. Insgesa mt wird d ie mula re Blldungsenthafple von -103 Kiloj ou le j e Mo l ( I mo l = 6.023 '10 23 NaC l-Moleküle} frei. 2 Na + Ch _

2 NaC I

MI:

= ---t03 kJ/mol

(k r 100.:\ f bede utet _Hi]J ung- (eng!. j or mtl/iOl/). die hoch gestellte Null Standard bedingun gen (25 °C = 298.15 K und 1013.15 rnbar),

5.1.4

.

.nOR' IhHfR k:n .ls l, roLt"S!>

Cittl'rener~il'

•I

".

;; -I

Na· l

'a

~ c

.

0

EI~kt l'Qllfn.

AU nto t

I

No· lW · (nQI

t'""JI~1 2 DiSSOllllhollS-

•.

El'I!halpoe

NlI lgl . ! C1, IQI

•

,

_~,s G,",,-

""'_,~._ E"t holpot

Ent halpie

Noisl • J. (1,1,1 Bi

sentholpi~

.ce

Ha(f (sI

o Teilschritte.

S

r.."'SI..T Zustand. g gasfi'lrm ig

Berechnung \tlll fi illcrenc rgicn

, ,.(;0_ _

t:

,-

..,'f • tt _+ ..... + ·1- t:-~- ...... " ar

,

Die Summe de r Enthalpieänderungen in einem Kreisprozess ist null.

Hydrutatiun

Triebkraft der guten Wasserlöslich keit vieler Sa lze ist d ie Hydratation: d ie Umhüllu ng von Ionen durch Wassermoleküle, wobei die Hydratarionsenthalpie frei wird. Im lnnem ei nes Ionengitters sind d ie Anz iehungsk räfte ausgeg lichen: an den Auß enzonen strahlen sie gerichtet in den Rau m. Wasserdipole werden angezogen: deren Sa uerstoffatome lagern sich an d ie Kationen des Salz kristalls an. d ie w asscrsto ffa rom c an d ie Anionen. Gelrieben VOll der Wärmebewegu ng fliehen d ie Ionen aus dem Git terverband : das Sa lz dissoziiert (zerfallt). Im fre ien Wasser werden Anionen und Kationen dan n vollständ ig von Wasserdipo len umhü llt. a lso hydratisiert ( .. 5.5.2). Man schreibt aq ..aq uorisic rr' für ..von einer Wasserhü lle um geben".

NaCI _ Na;oql + CI;oq) Übersteigt d ie l(rJralaliom e/flhalp ie d ie Gitterenerg ie. erwärmt sich d ie Lösung. Andernfalls kühlt die Lösung ab und ein Energieeintrag d urch Rühren w irkt förderlic h. In anderen Lösu ngsmitteln al s Wasser sp rich t man allgemei n von So ls a ta t le n und Sotvatauonsenthalpie. Hyd ratis ierte Wasserm o lek üle. die ins Ionengitter eingebaut werden. nennt man Kristauwasser {Hydratwasser).

l.ü s ungscnth alpie

>0 - 0 Ol

NlI 19I · (Ilg1

I)

Q

,

I

~'"''JI''' 3 10000isltl'ungsEnthalpie

! 236

• •

) .~- . Cll

S II.C1 in 11:0

11) tlralalitllls"'ß thalpie

(filterenthalp je

76

I AII\:clncinc und Anurganische Chemie

5.2 Atombindun

kovalente Hindun )

Mol eküle sind Verbind ungen von mind estens zwe i Nic htmerallatomen. die sich e in oder mehrer e Bindungsele ktronenpaare teilen. Zum Aufbau eines Kristallgitters fehlen fre ie Bindungen. sodass Molek üle meist flüchtig sind. also niedrige Sc hmelz- und S iedepunkte aufwe isen.

Ik ispic1c lllr Alomhindungl.-n • wasser II ~O. ..lm",flni(l~' NI h . ,'ircifachbindung.

no•

==='-"'= ='---'1

f.infacbbintlungt.T1 sinti o-Hindengcn, l)oppclbintlungt.TI bC'sld lt.'ll aus etrer 0 ' und eiOt.'f II. Bindung. l>rcifa.:hhindungt.-n bc...lehcn aus einer 0und zwei li-Bindungen. SaucrstolT i~

ein lJir.to.lil al:

Oie U" ppclbintlung ist fal.....h:

p-p-o- Ei n fac hbi nd u ng

f. i nfac h bi nd U"2

"''''', )- (~';bi""''''') (Hbücktruoen Uel tron..'ll

.\ -p- 6 -

Q+Q Q- Q

F.in fac h bind u n 2

Chlor

Dbcrleppung , on s-Orhitalcn

Obt.'Tlappung von p-Orbilalcn (in Bindungsri ch tung}

Jed es II-Alom erreicht dic He- Schale.

Jedes Cl-Atom mit der Ekktnlllt.'llkonfigu- 11 erreicht die He-Schale. nnion Isl 2s12p' erreicht die Argonschale. F tlic Ne-Schale.

0 -0--0 H'

•

'H

H;H

Ob.:rlappung \ ' 1fI s- und pOrbitalen

-

ICI - + ' C1 1 ..... IQ- ClI Bindun gsordnung HO

MOncnpaan: (cngl,

bestimmte. räumliche Molekülstrukturen. .. 5.2.4

S~mllol:) gc hcn aufgrößlm~lictK."Tl Allst.md

Abstoßun g de r l.i gandcn steigt: IIindcnd ·hi ndc nd < hindend-frei < frei-frei 1(N1e

pairs.

I,on.:inanJ..t t, Uah.,.T weichen d ie Biod ungswinke! vom gt."indigkcit d es Koh k nstolTs nie ht l-rLlärOOr. ~ 2.1. 10.1.

1I)'br idisicru ng und Mehrfac hb ind unge n hei m Kohle n..toffatnm o-Bindung

\

Gru ndtuslund

JpJ.Orb itule

v / -Orbita le

Ir-Wol ke

\

dJfr:iliJ

C C- DopJlclbind ung Reine ('--C- lind ('- I I-n-llinJ ung in

Alkuncn: Ethllll ll ,('--{' I h

o- Hindung

\

V'-( )rb italc

Ir-Wo lken

\.

~ r r 'r' "t' L.ll..!....l..!

C =C· l) r{"i f'll." h b ind UII •

Alkcucn : Et hen I b('=C II)

Eine 0 - und zwei a-Hind ungcn in A lkine n: Eth in H('..CIl [Acetylen)

('· Atom: Wi nkel : Atome: Ikispiel e;

('-Atom ; Winkel : Atume; Ikisp ielo:;

Kombinierte o-x-Bindung in

",. I,

(,·Atom : Wi nlc1: Atome: Bei spie le;

tetra go na l rcrrecd risch (109" 28' ) (' m it 11. C . Halog cn C I ~, CC4. ~ 1I .. lhO

trigonal planar ( 120") C mi tC. O.S ('O~, Keto ne

d iago nal linear ( I Sir) C mit C, N N:. II(,~ , Nitrile

5 Cbcmiscbc Ilinllung und Struktur

S.2A Hyb r ulurbital e mi t fl-F.kkl ro nen Die Elemente ab der 3. Periode befolgen die Oktettregel nicht mehr streng und nehmen zusätzlich Bindungsele ktronen in die freien d-O rbitale auf. Jeder Ligand am Zemralatom steuert ein Bind ungselektron bei. Für jede Hybridisie nmgsfonn bilden sich typische Molekülstrukturen aus. ßt'iw ie/ I : Wd che Struktur haben die Molckllle Ph_S F~ und SF/ ' Die fünf hzw . S4~IL'i valcwclckmmcn des Phosph or- bzw . Schwefelaiom s \ endkn \\ ir auf die .~ •• ~ und d.( )rt,il.lle der äußersten Schal e. ktJcr Fluo rl igand hingt ein Uektnlfl t in die kovelcmc Bindung e in. Ab zählen de- 1l) brii tak l eigl uns die lI ) brid is ieru ng. 3s J 3d

,

TUb r 'td l'" le run lt un tl \1 I kBIs t ru kl

2

'p

3

'p

"'

,

linra r ( 1800): li e N. N , -. CII =C11. I lgC b. CuKNI!' . lk:Cb

co,

lri l:u na I-pla ns r ( 120" I: • _eh..'1lcs n reicx k-: SO ,. NO ' -. IJCh. lI g b -. e dC h-. coo; l'\ O~·1. T ~-3 . • {i~"\\ inl..eltmil freien 1:110.....1· roncnp;wn.'tl: SnC b

co,'.

,

'p

,

lei noed ri 'lC'h ( 1Q9028'1

~_.

,

Tl 1 1 1 I Tl Tl Tl Tl Tl i

s

IS e

Tl Tl 1 1

1I Tl Tl Tl

I I I I

riTliT T I I

.\ JtI Sh

I") Tl Tl Tl Tl

v1d

• C11... m·-~·.l'\I1/. SO/ -. xeo... IIgl/ • pyrumida/: Nil... l'Ch (ein frei...'S Elck troncnpaarj • gett -jnAtlf : 11;.0. SC il (ZV\ei freie E k:I..trunt.-shalb wird Gntfi l sowohl als Elektrodenmateri al wie auch a ls wärm cisoliercedc Of~'Il au,J,; lc iJun g verwendet. Unter Schubl:inll uss g leiten d ie Schichten le ichl aufeinander ab. so Gl'3fit als Sch miermatcl und Ik l4(100 "C (unter Sehuvga~) che misch inen (rcaktilmstrllge. \I idcrs lands fiihig ) farb los. gllllvl.'tld. \\ 3.,scrld ar. stark lichtbrec hend • sehr hart. spröde

-

-

Eine hexagonale Mod ilih tion kommt in Meteoriten vor lind entste ht d urch Schoc kwelleneinwirkung aus Gra fit.

A

J

Dich te: 2,1 w r m metallische Leitfähigkeit: 6 1 : 15000 S/l.1l1, (JJ. " 5 Sle m • g ule Wärmel eitfähigkeit bzw. würmclsotator: }' I : IHO \\X·'m · I , },J." I!.1 W", ·lm·1 • ge ringe Ihcmlisehe Ausd eh nu ng: ~ I = --0.1 ... + 1.3. 1(1-11/ 1'. 20 ... 28.10-11/ ", • Einse tzbar bis 55(1°C ( I.un) bzw . 1500"(" (Sch utzga s) hh zc-. th..amoscbock -. kOlTus ion..hcst:1n 12 Gleitmöglichkeiten (und weitere 9 Gleitsystcme}

leicht plastisch verformbur {Strangpressen, wat-en, Ziehen) weich. schmiedbar spanabhe bende ßcurbcimng (lJuhn:n. Drehen. Fräsen. SGgen)

sehr schlecht verformbar

schlecht verformbar

gieß bar gut zerspanbar

sehr hart. eher sprilde spanlose Formgebung

Beispiele und Il HI:'37 '!-o Zn)

.. Re 250 .. Co 125 feste Edelgase. Be Ti. Ru seltene Erdmetalle Zn. Cd

I~

W. Ta

> ~ 50

Alkalimetalle u-Fe

V. "11. o, Mo

u-Mesaing Ibis 37 '!-. Zn)

5 Cbcmiscbc Ilintlung und Struktur

Das Krista llgitte r hängt von der Größe de r Atome und den Bindungskräften ab. d ie s ich entsprec hend der Wärm ebewegung ändern . Viele Stoffe wechseln daher temperaturabhängig da s Kristallgitter (Po(l'lI/orphie oder Allotropie).

83 .. Uru ch H rhl llen vo n " ·erk.\ torren Sprutle Wer k~torrC' 11i:~t und hart ); Herunela lle. Gusse isen. f..kss ing. Al-l.cgicnmgcn

Eisen kommt in me hreren Mod ifikationen vor: in der Kälte im wolfrarngluer. be i Rotglut im Goldg itter. ... 5.8.2 • Das isotrope raum zent rierte wolframglner ist hart. hoch schmel zend und schlecht plastisch verformbar.

• Das kubisch e Gl ue r von Go ld. Silber und Kupfer mit vier dicht besetzten Gle itebenen ist weich und bereits durch Hammerschläge plastisch verformbar. • Das heva gcn ate G u te r mit nur einer dicht besetzten Gleitebene ist dementsprechend sch lecht verform bar.

Ein MetallKilter verhält sich typischerweise zäh. ein Ionengitter spröde. Metalle zeigen daher allgem ein ein e große Bruchdehnung. Ionenverbind ungen e ine klein e.

• ZOhe Werkstoffe - typisch Metall - neigen zum Gleitbruch, der sich durch vorherige Verformung. Rissbildung und ein manchmal hörba res Kreischen ankündigt. • Spröde Il'erh toffe - typi sch salzartig - neigen zum

unerwarteten Sprödbruch (Trennungsbruc h).

5.3.2 Halbleiter Die elek trische Leit fähigkeit von Halbleitern liegt zwischen denen der metallischen Le iter und nichtmeta llischen Isolatoren . Eleme ntha lb leite r - wie Diamant. Silicium. Ge rmanium. Zinn - zeigen eine EiXt'nleilllT1X durch frei bewegl iche. thermisch angeregte Elektro nen. die vom Va lenzband ins Leitungsband wech seln und positiv ge ladene Löcher tm Valenzband h interlassen. Am absoluten Nullpunkt (0 K) erlischt d ie Eigen leitfäh igkeit des Halble iters. verbl ndu ngshat btetrer - wie GaA s. InP. ZnTe, CaSe ze igen e ine Sför.\ NllenleitIlIlK, die durch gezielte ,,Verunrein igung" (Dotierung) e ines Eigenle iters mit Fremdatome n herbeig eführt wird. ....Si Iiciurngiücr (Quelle: 11 MI ljcrfinI • n-Hatbleiter sind Elektronenle iter. Die Dotierung mit Elektronendonatoren erzeugt einen Elelaronenüaerschuss pn-l lotbleiter in f)ivcil'1I und (iteichrichtem in den Energieniveaus knapp unterhalb des Leitungs- bestehen aus /I . und ,)-halhlcilend en Senichbardes. Be ispiele für Elektronendonatoren im Siliciumg it- t

Mcrcapto I>isu llido

Schwcfcklioxid

Th iosulfat Sulfat Sclenid

Sclcno

Selenoxid

Selc ncmyl

Tc

Te llur

T elluru

I -o,

Chromdioxid lleund joxid

Tcllurid

:\ 1

Sti,kstu ll' I)islk kstllif

~ II .

' "011

B~

I,,,,

Aqua

11) pcruxo

Sclcnito

~II J

Chlo.. ChkII'OS) I Chlol') I Pl'I"Chlnl') I

(h o 1' C' ro xo

Selenit Sclenat

vn,

Fluo..

lodoso Iod) I f)ichloriod Oco, OX)'. (hido Dio\)

Selentrioxid

:'\J :'\11

Verbindungen

Perchlorate Bromo

Sulli to II) dn lLll'fl'iUlliIO Sulfan Thiu'ulfal u-S. -0 Su lla lt>

Sc h\\c fclll,lsscrslt>lf

Sc O~

x

"

in organis chen

11 ;0 '

O\ooium

S

c-o,

,

Substituent

Fluoro\ \ Chlo.. CMunlS)1 Chlol') I

Perchloryl

lI) d m x) 1 Pc rll\ dnl" I Schw efel

s,

norgamschc eh CIIllC

Am in) !en Am in)l Anmlt-lßiak

Chrom I

lI ) dn l\ ) Ih dn....;-·n:"" In io >Sulfide> -s Th itl\ O MCl"Caplo. Thiol Uithio - S-\Sullin) I (Th itlß) I) Sulfony l (Sulful')l) Sul fonato - SO, Sul fo 1!l IHO:\-11/ ,,·Sul fon io

. ..

Su lft>n)ldio \)

·,()·"io ·-o-

- Sc Selene Sclcnoxo Sc'" Sclcmnyl Sclcuonyl

Sclcnaro Tel hll\l

Uranv l [Nitri d l>istkkslllll' N: '

Am in)k'fl An lin) 1

Nimdo l)istk ksto lT

Nitrilo Azn A/ inu I>iiv {lßio A/ido

N. ~N"'N-

" N--N'" " N~ ~N!"

Azid Imid Amid

A/ ido Imido Amido .\ nlln in

Ami no Ammonio 1I , ~'.r-

Hydroxylamid

II)dm 'l:) lam i,Ju-O I h dro " lam ido -N

Aminoo\) .ovu, II) d ro'l:) am illO

Anmlt-Ißium

Imino

-

-, IS

'" IIl J

' 111,

,

U

g U ll d SITUkt' ur

1I1l1!.c1l1d cn

h:ati on

,' n iu n

l.i~lIntl

S uhs tituc nt

Il yd rMy l IlyJ ml in

lIyd ral ) ]

Hydrazid

Hy drazido

l fyd ruzino

I IY dnvi niu ~~ ~:~

'" l ll ~

' 111.. ,"0 :"001

SlickstlllTtl\id SlklslulTlliu\iJ

Hvdrazimum 2+ Nitrosyl Nitl')l

•

r u,

"hosph in

11 11'

Phos

MKlSJlhtmium

1'0

Phospht~1

PS 1'11 10 1

Thiophosphor) I Phosphinal

1 - """ I~:::~'

rlll lO~

Di

r 0,

.v-o,

co,

r-s,

II:'oCO 1I1_\ CO nl Jo CI II ~O

.

~

Arscnar Ktlhknstoßmuoo\id

Camun y] Thiocam..WlY I

Carbtl\y] Ktlhl~nslorfd io.\ iJ

I

Kohle llslorfdisullitl Carto.amoy I Carbamat M~thtl\)

I

M~lho:o.: itl od er Mctha nolat Ethoxid od er

I-:tho \ ~ I

U i hy J n~t:n-

l'hos hintri I MKlSphino

phosphidu rho,phin

I'htlSJlhtmio ILp·-

Phosphinato I'htISJlhtWlalt1 l'h tlSphato

1~:~:ph<WlalO

Di '!';"halO ATS 0 Paramagnctika '" < 0 I)iagmagno.'t ika ~ I ol arc

.11

.11 molare Mb "'; P Dicht... f.I Pcrm.:abilitat

- :: K , .\I

P !tIM'

Spill - Ko m p lc u

Durchdrineunaskomolexe)

• p"rum'IKll t'fi.{ch durch U"~'){l{lrte Eld /rQllen am Zentralatom

··

"1. '"

K. '" - "-

IUg/, Spin - Ko m p le u (Aula rcrun zskornnlexet

•

Su.v..."Jltihilitlll (m'/mol)

polan: bis elektroslatisehc Bindung zwischen Zentratatom lind Liganden schwache lstart c1ektmnegali\ e) Dcoorligandcn weniger stabil als I.S-Kolllple\C

·• ·

J itJIII(/ gJlt't i.~ch

stabile kovulcnrc Hindung starke UooorligaJlden (schwach clcktrcucgariv)

10" - Dipol- KOlliplcx

l o n-I o n- K o ~ e x

Stets elektrisch gehLdcn1 I1eiIpie/:

Meist ohne Ladung. Reispiet :

HeiV·ief:

I lcxaaquachromt 111 ) [Cr( 1110 ). 1,.

Tcuuchlorouuraullt}

Hcxacyunofcrtutfll] [ l' e ( e N). I ~ -

I A u Cl ~ 1

!!1l1~mJ1J1j ~ 1l10:~ ~ ~ Cf"

b 11 ,0

Au)'

~

Cl

,h .Jn

3J

!IIUI!II ! j 1111 tI III IU IU I h l"N"

I'e"

ok taedrisc h. J \ p '

tetra...xieisch. _\P-'

ok taedrisch, " .\ p '

erlO) hat die ElcktR>nenkuntiJ:1:uration IAr) 3d.Js l und oruu IAr) ~t', Jeder Aqualigalld schiebt ein Elektroncnpuur in die lispJ_ I I ~ hridnrbitale: Chl\1I11 em.:icht die Edelgasschale.

Au(O) hat die Elektronenkonfiguration (Xel V ' 5,r 6s ' , Au(lII) IXel 4/' 5,t . Jed er Ch joeligand schicht ein Hckuoncnpaar in die spJ_ It ~ bridorbitalc; ( ;old "''1TCieht die Edelgasschale.

l'e(O) hat die Elektronenkonfiguration I A r l _V~i und Fe(ll I Ir\r J 3et, Jeder C) anuligand schiebt ein E1cktmneupaar in die .isp J_1I) bridorbitalc ; Eisen em.:k ht die Edelgasschale.

IMg(l h O Jo,t

IFec ll..olroY ICrlN II,Jo,f

Reis iete so, oktaedri sch ( sp J(/"') (Ag.(CNI: 1 d lO, linear ( sp) d lO, tcuacd risch (sp J) .1'. ok taedri sch ( sp Jtf) (lIgl, t' J -'. tllt;lL-UriSt:h (sp J,i) IBF. r tI'. tctracdrisch ( Spl)

I FC~;,J~" PtCL. ,-

d' . Ollat.-drisc~ ~~s~~~ .I'_ oklaedrisch tfs"" J

(Nl(COI. J (Cu(CNI.\,(N1KNI.)""

IL~~ N III,~~I" F ( " 11< )

J IO. tctracdrisch (sp J) J IO, tetrat:drisch ( sp J) cf. quaOr.planar(dsp !) .1'. (lkta..:d~,l{-:'i: ) d". Sandwich 0 '5';J

5 Cbcmiscbc Bintlung und Struktur

5....2 Liga ndenfehlt heorie D ie Ligande nfeldthe orie und MO- The orie berü cksich tigen kavalent e 8i"JulI~s(Jllleil(! zw ischen Zentralatom und Liganden (d urch Überlappung von O rbita len); sie erklären befried igend auch Komplexe mit x- Elektronen, nlchtpun krfOnnige n Liganden und ungewöhnlichen Ox idationsst ufen. Das ele ktro statisc he Feld der Liganden und d ie d-Orbitale des Zentra latom s stoßen sich gegensei tig ab. Je nach Vor zugsrichtung des . Ligancenfeloes- erhal ten d ie entarteten d-ürbita le des Zen trala to ms untersch iedl iche Energie. Im oktaedris chen Komplex entste hen : - zwei energiereiche ...e,-Orbitale" (d•..,.... dr ). die abstoßend in Richt ung de r Liga nden weisen. - drei energiearme .J:,-Orbitale" (d\). d u- d)'Z). deren größte Elektronendic hte zw ische n den Koordinatenachse n. somit in größerem Abstand von de n abstoßenden Liganden. liegt.

e,-

D ie A urs pa lt u n~~ ne~ie Ii.Eo zwischen den t~~- und Orbita len liegt im Frequenzbereich des sichtbaren Lichtes . Daher erscheinen viele Komplexe farbig - und zwar in der Komplementärfarbe des absorbierten Lich tes. Außer der d-d- Bande zeigen Komp lexionen eine kurzwei lige Charge-Irwuf er- ßande « 400 nm bzw. > 25000 cm"): sie beruh t au f einer Elektro nenverschiebung zwischen Komp lexzentrum und Liganden . Spekarcc heme chc Reih e Komplexionen mit teilbeset zten d- oder f Niveaus ze igen eine typ ische •.Liga nden feld- Bande- im UVNIS-S pektru m. Ihre Freq uenz hängt von der Stärke des Ligandenfeldes. also der Au fspalt ungs energie ab: - low Spill-Komplcxe tragen Liganden mit sta rkem Feld. - High Spin-Ko mp lexe Liganden mit schwachem Feld .

"'"'''!fr''''''''''''

,,,,,_11

nrc bctmchtct rein tosunisehe Bintlungskrllfie zwischen puaktförmigcn U gandcn (die sich abstoßen) und dem Zentraletom (das die Liganden anzieht). Di..'S ist ohne reale ph}Sikalische Bed eutung. liefert aber I.jualitati\ \"'ll'Tl:kte Aussagen ohne große n malh.."IIlalisch..-n Auf\\and . Die ,110· 7"hrorie (... S.2.21 spalt 00 13 Modifikationen . SlruLIur: ~Trid) miL Dichte: 0.9 168 glem' 10'Cl

... SOhalalion \ 011 Kationen und Ank'lll.'Tl durch WlISlol:TTno!e· LOle beim l.ösen \ on Sal zen C Il ~ dTalalion. .. 5. 1.-1). 100 11,0

Uimol

, .' • " ,".

11" Li ' 1... 6

No'

M .' Ca" F 10...

u

Cl 3

-105 270

"' '" 2

ß i., ptll~ lII .. re

Was..se-rstoübrückc n T\\ ing..' Il P mtrin r in ihre Sd UI/JlJrs fruJilur.

•

•

•, ,

N,

Ur w>y rillonurl l'in, .iIurr l l>Nt\ ): 10 Basenpaare bild en eine Schrauhcm\ indung (0.3-1 nm lIueh. 2 nm Durchmesser ).

. •

• •

•

• Fahblausuuk rur der ll-"'c rdtine (110m. Nägel. Seidenfihminl .. u· l ldh die AchSfI,.T'idJcih: !eIltem..'11 Wlrid in I\\ ci l>m.xi.saukn RaHnJi,*,"1IIaIo: Illl'TIC im Würfel

Ahie

rege llos angcordneten "rist31litc ....:.1' Probe crvcugen bei llJ(.nllchromati scber R(lntgenstrablung Hragg'scbc Beugungsrin ~.... auf cmcm ~ h nlkrfbr· mig um d ie rn....... gelegte n Eilm. AnwendungIl1Ichs~ mmctrisclle Strul turcn MineraJienanal~ sc. FCj,tl(lrp,:real.lil_'11 (ll l:i/rönl~nspcllJ'O!, lopio: 1_

11

98

I AII\:clncinc und Anurganische Chemie

5.7

Reale Kristalle, Gef'ü e und Materialkenn röDen

5.7.1 Gilt•-rdcfcktc und Metullografle Fehler freie Idea lkristalle kennt die Natur nicht! Die techno logischen und physikal isch-che misc hen Eigenschaften sind Fo lge de-s po lykristallinen Aufbau s der Stoffe. Ein Metallst ück erscheint makroskopisch a ls g le ichmäßig zusa mmengesetzter Körper mit •.phäromenologlscben- Materialkenngrö ßcn wie Elastiz itätsmodul. Härte und Leitfähigkeit. Unter dem Mikrosk op sieht man das Ge füg e a ls An sammlung. von kristallinert oder amorphen Bereichen und dazwischen befindlichen G renzflächen. Es zeigt : • Einphasige Mikrobereiche Körner (Kristallite ). Einschlüsse (Veru nre inigungen), Au sscheidungen. Poren. • Strukturelle Bau fehler: Korngrenzen. Fehlstellen. Versetzurigen. Seigerungen (Entmisc hungen in ers tarrend en Schmelzen und G ussteilen), Zwillingsbildung {unterschied liehe Kristallorient ierungen ). Durch d ie Materialbearbeitung entste ht d ie Text ur - die Gleichrichtung der Kristallachsen be im Gießen. Walzen. Z iehen. Rekri srallisieren : sie erklärt anisotrope' Stoffeigeusehaften. Eine ••Schmiedefaser- ernsteht. wenn sich Schlacketeilchen in Verarbeitungsrichtung anordnen .

lo .. Udl\m iln~lopi sclk.-s Schli nhi ld von Gusseisen GG I. 25 in 65.fach..:rVCfltrößerung : pc'rlil M hn C; l'rIi: 1' mil l .amelkngrafk und eingelegenen Tnancarbidcn. n ie Oh.:rf1khe \\UNo: I um ti.:fm it einem Excimcrtescr in ein ferritiscbes Gdlll!-c umgcschmolzcn . GejUge : Mil m slllpi o;c:h ..pot.e-, inhomogene Teilchcn-, Fase r- od..-r Sint~'I"\c:rbärKIc mit

Phasen,

Kom1!J\.'I1/~'I1,

Tevtur

f 'einslrt
Elastizitätsmodul

E =- dcr dc.

Brnchdehmmg A (Dehnung bis zum Bruc h ) = Gleichmaßdehnung fll (bis Rm) + Einschnürdchnnng c.,. Maß filr die Zerreißgrenze tiäne : Widerstand gegen Eindringen eines härteren Körpers Festigk eit: Widerstand gegen Ver formun g Xachgiebigkeil: Kehrwert des .. li-Moduls-' IIE

r."""

'..,

" ~ -- $ 0.5 D e hn ung &: A1 i1

0.1 %..Dehngrenz e Rr" l : Bei Entlastung bleibende nichtproportionale Dehnung Ep= U.2 %

Ersocxtreckgren:e Illr Werkstoffe ohne ausgep-

Dehngrenze

Hi

,

.00.

Untere Streckgrenze Rd.: Ende des Hic ßcns. und Beginn der Verfestigung

5.7.3 Härte Den Widerstand eines Materials gegen einen Prüfkörper. der in vorgege bener Zeit mit bekannter Kraft (statisch) oder veränder licher Belastung (dynam isch ) in d ie Probe eindringt, nennt ma n Härte.

Zähigk eit: Verformungsfähigkeit bzw. plastisches Formänderungsvermögen bis IU1I1 Bruch. Zähe We rkstoffe ve rformen sich makroplastisch vor dem typischen Gleitbruch. spröde Stoffe vo r dem typis chen Spaltbruch jedoch nicht.

J

Duktili/ät: Verformungsfähigkeit auf Dehnung oder Streckung ohne Schädigung und Rissbil.. dung [lat. ductus. Zug )

l

"' l lii rtc l' rüfHr fllhn' n

Härte B RINELL V IC KERS

Anwendung

Prüfkörper II IIS Stahlkugel II II W Hartmetallk ugel 11\' Diamantpyrarnidc

K NOO I'

11 1'

rhombische Dia-

ROC KWEU .

nuc

Diamantkegel Stahlkugel

II R B

Wahr e Spalllllmg. Auf den tatsächlichen Querschnitt SIe) bezogene Kran (statt auf den Alisgungsqucrschnitt 5u)

marnpyrumidc

~

....

3-stufige ~kssung mit Vorlast. Prüfkrall und Nachdruck

Wahre IJt>hlt/m~ ql =- In S,/ S Im ..wahren" Spannung-Dehnung-Diagramm steigt die Spannung bis zum Bruch kontinuier-

lich an (kein Abfall während Eiusclmürdchgilt die 1I0 LLOMo N-Glcichung: n e k q>n mit k Verfestigungskoeffizient.

nung j. Es

5 Cbcmisc bc Ilintlung und Struktur

5.8 5.H.1

101

11

Le ierun en Kri st all ~cmi s l'h c

und J\ l ischkr ista llc nebeneinander lieg en. Durch eine Wännebehandlung kann man einphas ig entmischte ZJ.JIIf.'II schaffen und die Festigkeit der Legierung erhöhe n. Die Unlll'U1k1hl1lg.~Jliirl ,mg von Einlagerun gsmischkri stallen beruht auf Gitterverzerrungen. wenn beim schne llen Abkühlen eine Modifikat ion mit geringerer Fremdatoml öslichkeit entsteht. Int ermediä re Kl'"ista lle wie Zementit Fe-C biI· den stöchiometrisch zusammengese tzte Einlagerungsstrukturen von außerordentlicher Härte .

Nach der Verarbeitung werden KIU.'t- und Gusslegierungcn unterschieden. nach der Zusammensetzung : Kristal lgemische und Mischkristal le. '- 1.6 Die ge lösten Fremdatome bese tzen das Wirtsgitter eines Mkchkl'"ista lls regellos. Geordnete Überslrllkture11 (Femordnungen) treten nur auf, wenn die Anziehungskräfte zwischen den Atom sorten sich grund sätzlich unterscheiden. Dennoch besteht eine Xahordmmg. indem die Fremdatome auf Grund von Gitterverzerrun gen nur se lten direkt M i..ch k ri..ta ll ( Feste

Inl ernu'd iä re Kri,talle

Kristall gemi sch

Lös un~)

E inphasi g ~o:no.'S

Gefüge. mi5chbore ähnliche l\ ompor'K'.Tltcn: Eigenschaften 3nlk.'fTl sidJ nidJt linear zur Zusamme-rL ] ~'.. SiIi-

cium ein fcrruischcs Gefüge. Magn~'Sium und Cer fördern die IJildung \tlfl Kugelgrafi t. Ireifks Gus sd'4!n mit ca. 1 '!';' Silicium enthält - wie SlahlKuss - Zem entit, der heim mchrtägigen Glühen (Tempern ) in Gmlit "'-...fälh.

St ähl e

T

t

9 l1'C

Gu s s ei s en 114 1 ' C

Auste nit y

Austenit ... Zementit

0.02 %

Perlit + Zementit

unter- C 0.8% ): übereule kto id

~ Austenit ... Zementit + l ede burit Perl it + Zementit + Ledeburil

2.1%

.

~

123"(,

: Ferrit ... Perlit

, ... • .• •• -': ~

';:

Sekundär- oder Senatenzernennt

~

.•

$

4.3% KohlenstoHgehalt- +

.. EMn- l..: ohlc-n~t"lT-UillJ: ... mm (nicht ma&1lihlidter Ausschnitt). ZCllll.....tit ist cm.'fi.kf\:ich~... als C,mlil. Man unk-rsclk:i·

oc't das ml.'la.fltlhile Fe-Fc.C-S 5 % I.e~ierun~lcmenl""lohnc C l L.B . ' S("r,\ il 8-- IO I O.08 ~. C + 18 % Cr + I O ~oN i) Sc- h nrllarbei h~ll h l

z.B. IISI2- 1-4·!'i (l2 ~. W + I ~. MOl + 4 ". V + 5 ~o Co ) Stahlbau. B . S!J!'i.lIU ;2 mn R.", - 235 Nimm ' . : Il.l a"'hinenlmu . r: IJ. t:29!'i I' Druc kbehälterstahl (Kesse lbleche) ß Betonstahl .\ 1 E1cLtroblech

S

All~cmeiner

I .

c

• Härt en: Härtbarer Stahl gelangt durc h G lühen > 723 "C

in de n Austenit zusta nd. Beim Absch recken der Sc hmelze entsteh t sehr harter und spröder Manensir. .... 5.8.2 I Durch Anlassen (Glü hen c 650 "C) w ird die gewünschte Gebrauchshärte und Zäh igke it erzielt (Martensit zerfä llt). • Verxlilen: Beim Il ärten mit Anlassen oberhalb 723 °C ge ht die Härte verloren. die Zä higkei t aber ste igt.

Ni.l"r; 0.4 % l"u. l'b:

lM~.Mn

o

uen

In

An~changtc

ZUSlll.r.s)mbule:

GOlcgruprc

.1 K cr hscb l ag7~ higkcit \ 1 mcrmomc chanisch g~\\alrt , llurm.-tl~c~l lIht (l-"cinLllmsta hll \\ wencr fest

I.

L I!. l. UlI37 .. S235JRG2 \\'cr\;.slllllllilupl grIlPrc I .. Stahl

Oll Gruppennummer J 7 Zählnummer

werkstoffe. • Bei härtbarem Stah l wird die Randschicht erhitzt und abgeschreckt [Fla mm-, tnduktions-. Tauch- und Laserhärren). I Ist der Stahl nicht härtbar (z u geringer Kohlensto ffanreil), erfo lgt vor dem Härten eine Aufkohlung der Randsch ich t. Beim Ei ll.wt:lulrlell (Aufkohlen + Härten + Anlassen) dienen Hol zkohle. Cyanmsc hmelzen oder Propangas als Aufk ohlungsm iuel. I Zum Nitrieren werd en Ammoniak. Stick stoffi onen oder C)·an~sch m elzen ge nutzt . Sticksto ff d iffund iert in d ie Oberfläche des Nitriersta hls und bilde t dort verzerrte Gitter ohne Gleitebenen. Abschrec ken ist nic ht er forderlich.

GS G.l t. G.IS G.I \l 1I G.I \ I\\

Slahlg uss: < 2~;" C Lamelle n-Grafit ...G rauguss·· IGGL.) Kugclg reflt. Sphar,'l;u_s (GGG l S~h"auc r Tempc rgu's (GTS) We ißer Te:mpcrgu_s (GTW)

We i";n: Vcrfahn.'TI: Carb""itriercn. Borieren. Chromiere'n. Alili..'I"I.'fI

11

104

I AII\:cmcinc und Anorgenischc Chemie

i

., Übersicht: Lcgicrungself: mente im Stah l

er, V. Mo l lüslich in Ferrit). Gleit\\ idcrstand, Zugfestigkeit und Streckgrenze. Stahl mit 10 ~-~ Cr ist bei 0.3 % C bereits l.egienmgselemente schieben den Pcriitpunkt (723 0('. 0.8 perluisch. mit Mo. V. W bei noch geringe% Cl und Sckundärscmenthpunkt ( 1147 "C. 2 % C) nach rem ("-Gehalt! links; behindern die C·D illusio n aus dem abkühlenden Au.l/t'n i/hildllt'r : ~1n . Co. Ni (löslich in Aust enit) AusteniL so dass \\ f.:nig Fe rri t und viel Perlit c ntstd ll. C arbidhi ld nc-r Carflidc von Ti. Zr: V. Nb. Ta: er. Mo. W (PSE: -lb-6b ) v macht daue rfes t. hart. warmfest. anlasserhöhen die hildl.'f1 intermetallische Phasen . die härter als Zementit lx"Stlindig. Wann ti:st igkcit sind! Sie \er"ög...'1'11 die Koagulation von Ausscheidungen \ h und Ja \ ...-rhindcm J ic Aus..'iChciJ ung (die Hindernisse rur Vcrst.'VlIngshewegungl."Jl sind I. &ifiil:.c-r{"hromcart>ide beim Schweißen, gerenneren Schwcißcfgneng, Schuv \ ur • TiC (3200). v r' . :-.;hC (2800). WC (2-100). Cr-,Cl (2 150). Mo:C (1500): in Klamm...' l1l VlCKERs. l1l1ne inrc-rMistallin...T KUlTos ion in der Wannc· • Mischcart>ide: (Fe.MnhC. IFe.Cr)-,C einOu-"""OIlC. • Doppdcarbidc: I'c l Fe.\lo:C ("r mad1t han. ;, 0.3 %). Ju ngen gelangen qualilülslllindt'm de EII'IIIt'll/e ins Stahl- schk'1:ht schweiß. und schm....'t.lbilr. schk'1:h[ i!clllge: I>hosphur. S,h\\efe l. Sau...-rstotT. Sticksto lT. Was· kahfonn· und /f,.1'Sl"aubar (h·menti\). st:rstulT. S macht sl"riltJe. n.[hrtlchig (1Ieißhruch); Suflide. l>htlSphide. (hiJ e us .w. liegen als spröde Schla- bei Auttlll1menstahl gute Zerspanharkeil. ckenlcilch...'fI \ur ut.kr \\ crden bei der Wann um fonnung I' macht / ugfest. \, ann fest. kumlSitmsf...-st: kalthrllchig. spr/'ode. 1USchlacken/eilen g...'Stn.-ckt (Schmi..'t.Iefascrl. NlIt/lieh in klcin...'fI Anteikn sind Mangan lUld Silicium. :'\ maioL:eit. .'1 i'>(' hl..rislll ll - .1 fi.~chl.:risl{//"w:fi·SliKlIIIJ{: Durch Gincrvcrvcrrung steigen f'erril hifd",'r:

hildn c- r erhöhen die Festigkeit

W..c.

"'"

I

I'

5 Cbcmiscbc Bindung und Struktur

105

5.8.-1 Nichteisenmeta lle Stahl ist wegen setocr I Iärtbarkeit der wichtigste Werk sto ff für hochbeanspruchte w crkzeuge. Nichteisenmetalle und ihre Legie rungen erm öglic hen Spez ialanwendungen.

t ~ir­

run!=.

• l.eichlhcl/l: MilgJ"Il:s ium ( 1.75 glcm\ Alum inium (2.7). Tita n (4 .5)

(-no

• Gun fl'gi I.'TUIJKe,r: Zinn (232 0(' ). Blei (3 27 CC). l ink oe ). Magne-;ium (650 0(' ). A lumini um (660 °0 · I.,(lKenl' f tclffl.': Pb, Sn. Cu. Al-Legierungen Igutc Glcucigcnsch a üc n ) • A:.onvsio nm :hur=: Nickel (a llalihc:s ländig ). Titan [säurebeständig },

Al uminium (t..~I:ind ig gegen l ntlu~tric l u fi ). Kupfer • ElelilfVfIit : Ag. Cu. Al (hohc L.c itfllhigl eitl • Reatlorhou: Zr [geringe), Cd. llfC hohc Neulnlftl."tlabsorpl:ion l

Reine Metalle schmel zen bei höherer Temperatur a ls Legierungen und sind korrosionsstabiler. Leg iere n erhö ht jedoch Härte. Festigkeit und Spanbarkelt. wäh rend Dehnbarkeit und e lektrische Leitfäh igke it abnehmen .

+ Gehall (in %l B. " ~ \II.tSil \ 8P /. Mg " 1 4 ~. AI + 1·;' Si.) [] cmcn ls~ mhol

I.

l.eichllllt'l
od er MgC h

Zn1'

+ 0 :'

ode r Z110

All,

+ 3 Oll" ode r AI(Ol lh

3 Ti"

• '"'

ode r T i;N ~

a) < I1Mg l ' ) < I1Na ') < 11 1\.') b} Alle haben A'l!-on-I\.onlif ur.ltitlll. do ch d ie Kernladun g ""';l:W Ca l ' < c - < CI c c-: c) Keuooen sind kleiner als M~1allalumc [wegen ocr abgegebenen E1d :tmn.:n ). An iulIe n sind grölk.,. als d ie Nichunctallarome (wegen hinzukommender U d.lnll1l.'Il ). \ l it zu neh mend er t.:.emladung (QrdnungSJ"ahl) schrurnpü da s Vo lum en d er Elcktnme nhäl lc. Stlf1lit d~.,. Atomradius. I1A I1' )

Je größer die Punktlad ung. d . h. je klei ner Anitln und I\m istM~.,. d ie WW : Rb! < RhF < l.il' < Ca r l ,

on. umso

1

Um ein \ lgl' s ind 6 0 - 1l1.tat."tlriSt.il enge...lI"I.lßt.1 und umgekeh rt (um ein 0 2- sec hs Mg 2 ' ) . Im Koch satz fllnd.:n um ein theoretisch 2 1 Sa- Platz, Wq en de r l.adu ng..s neutrali t3t isl d ie olta.:drische " lI
Die varcwctcuroncn (n' l) "erden auf II ~ drid,'rlli lal c verteilt. Die Liganden liefern " eilere lli ndung~ ld,lr"llcn (sch\' af/) .

a} II ~ ) .

b) Neh

a l O i n ll ~

I HC I~

'id.·:

Erle",...'tl durch ~ k..scn! 16-12 J. JUNG IUS (1587- 1657) erkennt d ie Bedeutung der Waage filr die C1l. Fe ,Q •.

("atOll!!.

17-18 xt. W . L OMONOS..V)W: _GeJet: \'VI/ der ErhI'R· Wi\Al.s · Kunslanlen )

I

( P+

I\lr eine Slollhlengc n

~ = 6.022 1-12 , 10" mo l -I )

JfK

lUr ein Mo lekül

1I; 1J,(I'- nb): " Rf

Z, 11, lllr C0 1 : 3,656 ~'ha r/m(ll' h = 0,0-1282 tl mnl

11 =

I

"Y Molares Volumen I'n. feuchter und trockener idealer Gasl' H/mul f \'II(h l e \ (;11\

T JOC : 0

..,,.

pj ll ,lI 7 20 ,15 26 'N 27.50 28.22 27 007 25,14 Ul8 26.617 25.3\11 25.824 26 .2S7 25 .043 25 .470 25 ,lMI 24,70 5 25 .126 25.5-411 24.3 1 5 24.'N 1 25 .207 24.0 55 ~ 4 .... ~ 24.875 23 74~ 24. 147 24.552 23.4 33 23.8 38 24 .237

~ 8 .1>lI2

2 M.260 2U5 1 27 .45 3 27.0l'>t> 26,I>\lO 26.325 25.'u 1),.-UlsCh Inl,:matiooal (I) (sI fl."SI. solid

«u (gi

393.8 U /mol

Die Reaktiull und ihre Teifreaktioncn verlaufen exotherm.

(I)

nass ig.. liquiJ

(gi

ga.\ IOnnig..~.wolI5

l' ' Iula n: und "pel. irr.t:hc C; rii Bc n

In der Chemie sind molare '" slo l1incn gcnbc-

vogcne Größt.-n üblich. I>t..T Indc, m filr _molar- wird meist fortgelassen. Die technische Thermody namik bevorzugt spezifische - mussenbcvogcnc Grü ßen (in Kleinbuchstaben ) Größe molar

Ih :ss- Sllt7. (2 . the rmochemisches Ge set z• •.Ge setz der konstanten w är mcsurnmen'') : Die bei e iner chemischen Reaktion auftretende w ärme ist gle ich der Summe der w ärm en aller Tellreaktionen. die von den g leichen Edukten ausgehen und zu denselben Prod ukten führen. Die Reak tion senthalp ie hängt nur vom Anfangs- und Endzustand einer Reaktion ab. nicht abe r vom Rea ktio nsweg. !i.II R = I1I1R. 1 + i1HR .) + i1HR.3 + ...

(I )

l' Inll il-u n1r lIie A rt der Rea "'liun

I k/ ll '~

Stumnenge

spel iliw h Masse

11

Einheit J

IIm - II n

Jzmol

h - 11m

JAg

' röllt: ßcispicl

Si-Einheit der Energie ist das Joule (}). In der Energietechnik wird die Kilowanstuudc (kWh) verwendet. Die in der Ernährungslehre \ crbreite ..Kllokalor lc- isl \ cratrcu Aueh die _Tonne Sleinkohll."Cinhei'" (t SKE) dar f seit Ende 1'>177 nicht mehr \l.T\l en,kt werden. _Giga" G - I O~. I J = I WS " 1/_. Wh " I Nm _ I kg m1 s~l I kWh - IOOOWb - 3.6· l o" J i rw, _ ll.76· I0 I1 kWh • 3. IH 0 10 J 1 kcal '" ~ IK6.Kl - 1.163 Wh 1 1SKf. '" 2'1.3076 GI · IU ·.. kWh

126

1 AII\:c mcinc und Anurganisehc Chem ie

L.

.J

..:.:..I/l;:~·'~,~,~,",~I~},~ lf.i n i t i o n e n th erm odyn amls ch er; Griißcn!..

Unbezogene Größen ( im ßhuehstah..'11 1. spe=!fi,{che Großen (Kl einbuchstaben ), molare Große n (m it Inde' Oll. Das lIhl:C"\.t: h lu" l'n(' S, , t(,01- o hne Sto lT· und Energieausrausch mit de r Umgebung, l. B. Th ermoskanne - leistet nur l"C\ersible volumenarten. warm e und Arbeit s ind kein e Zu standsg rößen, so nde rn \\egabh:lngige Prozessgrü ßen . • Das lldill hll t i~ hl' S, sl rm tauscht [n~~ie in Form von Arbei t - nicht Wllnne und Materie _ mit de r Umgcbu ag aus; I . B, KtlfllPI\:s s io n im Gasmotor. Das orT('nr S, ,t('nl lau scht Energ ie und Materie mi t de r Umgebung aus; ,~ 1\. Küh lschrank . Ilcißlut\mot or. Heizeng.

O. 11.",,"" 11. d ..r Th..nJlod , n.mik Die Te mpo..'n llu r Ti m G le ichg